Vielleicht mehr noch als andere Industriezweige, ist die Halbleiterfertigung hochautomatisiert. Die Gründe dafür sind dieselben wie in jeder anderen Branche, die Automatisierung anstrebt: Verbesserung und Beständigkeit der Qualität, Produktionssteigerung und Verringerung des manuellen Arbeitsaufwands und somit Reduktion von Fehlerquellen.
In der Halbleiterfertigung gibt es jedoch einige einzigartige technische Herausforderungen, die sie von anderen Branchen unterscheidet und die sich deutlich in der Auswahl der Komponenten der Automatisierungstechnik zeigt.
Dazu gehören unter anderem:
- Miniaturisierung
Die für die Halbleiterfertigung erforderliche Reinraumumgebung ist pro Quadratmeter sehr teuer. Es besteht daher ein starkes Bestreben, die Maschinengröße und folglich auch die eingebauten Sensoren und andere Automatisierungskomponenten zu verkleinern.
- Die hohen Kosten für den Reinraum sind auch ein weiterer Grund, die Rolle des Personals im Prozess zu reduzieren. Damit sind nicht nur die Personalkosten gemeint, sondern auch die Kosten für den gesteigerten Aufwand der Luft-Reinhaltung des Reinraums. Menschen sind immerhin für 75% der Partikelkontamination in Reinräumen verantwortlich.
Damit wären wir auch schon bei der nächsten Herausforderung:
- Reinraum Umgebung
Bei der Auswahl der Automatisierungstechnik muss darauf geachtet werden, dass die Reinraumumgebung nicht kontaminiert wird. Daher werden hauptsächlich berührungslose Technologien eingesetzt, bei denen es zu keinem Abrieb und damit Abspaltung und Verteilung von Partikeln in der Luft gibt.
- Andere extreme Umgebungsbedingungen
Die Halbleiterherstellung ist oft mit besonderen Umweltbedingungen verbunden, wie z.B.:- Flüssige oder gasförmige Chemikalien, die verschiedene Standard-Sensorgehäusematerialien korrodieren können. Daher kommen in der Halbleiterfertigung oftmals Sensoren mit speziellen Gehäusematerialien oder -beschichtungen wie bspw. PTFE oder PEEK zum Einsatz.
- Die Vakuumkammer, in der der Sensor entlüftet wird, muss kontrolliert werden, und der Sensor darf sich nicht zerstörerisch durch das eingeschlossene Gas ausdehnen.
Außerdem ist hier das Material der Gehäuse noch aus einem anderen Grund wichtig. Die Vakuum-Prozesskammern sind dazu da, absolut kontrollierte Umgebungen für die Herstellprozesse zu bieten. Viele Materialien gasen im Vakuum aus und kontaminieren die Umgebung somit mit unerwünschten Partikeln. Diese Ausgasung muss durch den Einsatz bestimmter Gehäusematerialien verhindert werden. - Hohe Temperaturen. Die Herstellprozesse von Halbleitern finden oft bei (für Automatisierungskomponenten) extremen Temperaturen statt, die die Komponenten aushalten müssen.
- Hoher Druck, z. B. bei Sensoren in Ventilen.
- Schalt-/Messgeschwindigkeit der Komponenten
APC (Advanced Process Control) ist eine Methode zur Verkürzung der Zeitdauer zwischen der Erfassung von SPC-Daten (Statistische Prozesskontrolle) und der Anwendung von Prozesskorrekturen. Das bedeutet, dass anstelle von zeitaufwändigen externen Messverfahren so genannte „in situ“-Messverfahren im Vordergrund stehen. Die Prozessvariablen müssen daher in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit gemessen werden, um den APC-Kreislauf in kürzerer Zeit zu schließen.
In vielen Fällen verlangen Sensoranwendungen in der Halbleiterfertigung nach einigen sehr individuellen mechanischen Eigenschaften und/oder einer gesteigerten Performance, die letztendlich kundenspezifische Sensorlösungen erfordern. Beispiele und weitere Details zu kundenspezifischen Sensoren in der Halbleiterindustrie können sie in >>diesem Beitrag<< lesen.
Aufgrund der geringen Anzahl solcher kundenspezifischen Sensoren können die Kosten pro Sensor entsprechend hoch sein. Die ggf. höheren Kosten für Automatisierungskomponenten werden aber i.d.R. schnell durch die Platzersparnisse im Reinraum oder verbesserten Output wieder amortisiert.
Letztlich geht es darum, eine positive Investitionsrendite zu erzielen, indem sichergestellt wird, dass die Einsparungen durch die Automatisierung die Kosten der Automatisierung bei weitem übersteigen.
