Rein- oder Reinsträume in Halbleiter­fabriken stellen höchste Anforderungen an die in ihnen verbaute und eingesetzte Technik. Die Zulassung für den Einsatz im Reinraum adelt daher viele Produkte – darunter auch die Profil-Lineareinheiten der Serie RK Duoline Clean der RK Rose+Krieger GmbH.

Optimiert für den Einsatz in Reinräumen und getestet nach EN ISO 14644-1 bilden sie als Y- und Z-Achse das Kernstück des Reinraumroboters Scout triax der Roth & Rau – Ortner GmbH. Das selbstnavigierende Transportsystem mit 3-Achs-Handlingsystem wird zum flexiblen Materialtransport in Halbleiterfabriken und anderen reinen Produktionsumgebungen eingesetzt.
Die Automatisierung von Transport- und Handlingaufgaben macht auch vor den Reinräumen der Halbleiterindustrie nicht Halt. Eine der jüngsten Automationslösungen ist der Reinraum-Roboter Scout triax der Firma Roth & Rau – Ortner aus Dresden. Er wurde für das autonome Handling in unterschiedlichen Greifhöhen bis 1,70 m, speziell für den Transport und die Platzierung von Reticle-Pods, den Transportbehältern für Fotomasken zur Wafer-Belichtung, konzipiert.
Die Aufgabe des mobilen, frei im Reinraum navigierenden Roboters ist es, die Pods vom Loadport des Reticle-Stockers zu greifen, sie zum Scanner zu bringen und dort exakt auf dem dafür vorgesehenen Platz zu positionieren. Der Scout triax nimmt den Operatoren damit nicht nur die Transportaufgabe, sondern auch das Materialhandling ab. Damit kann sich das hochqualifizierte Personal auf wertschöpfende Tätigkeiten konzentrieren, und die extrem teuren Lithografieanlagen – ein Reticle kann bis zu mehrere hunderttausend Euro kosten – können besser ausgelastet werden.
Herz des autonomen Roboters ist ein System aus mehreren Linearachsen: Eine horizontale Zahnriemenachse mit einem Hub von rund
420 mm trägt den Reticle-Pod-Greifer und bewegt ihn vor und zurück. Diese kurze Achse ist auf dem Schlitten einer vertikalen Lineareinheit mit Spindelantrieb montiert. Mit einem Vertikalhub von ca. 750 mm verfährt diese den Transportbehälter auf die jeweiligen Greifhöhen. Ein weiteres horizontales Spindelelement bildet, versteckt im Robotergehäuse, die Basis des Drei-Achs-Systems. Sie gleicht minimale Ungenauigkeiten in der Fahrzeugpositionierung aus und sorgt so für absolute Präzision beim Handlingsvorgang.

Hohe Anforderungen an die eingesetzten Linearachsen
Für den Einsatz im Scout triax müssen die verwendeten Lineareinheiten – speziell die sichtbaren Y- und Z-Achsen – zahlreiche Anforderungen erfüllen. „Das Gesamtkonstrukt soll möglichst klein und leicht sein, damit es einfach zu bewegen ist. Zudem darf während der Fahrt des Roboters durch den Reinraum nichts über seine Außenkonturen hinausragen“, erklärt Dr. Karli Hantzschmann, Bereichsleiter Automation bei Roth & Rau – Ortner. Da es sich bei dem Roboter um ein batteriebetriebenes System handelt, müssen 48-Volt-Motoren für den Achsantrieb genügen. Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die Sicherheit: Um Energie zu sparen, wird während der Fahrt des Scout triax durch den Reinraum die Spannung für die Achsbewegungen abgeschaltet. Dennoch müssen die Achsen die Last sicher in Position halten. Und nicht zuletzt gilt es für die Lineareinheiten, den geltenden Reinraumvorschriften – im vorliegenden Fall der ISO Klasse 3/US FED 1 – zu entsprechen.

Lineareinheiten mit Reinraumzertifikat
Roth & Rau – Ortner beauftragte die Firma Zacher Component mit der Entwicklung eines entsprechenden Achssystems für den Roboter. Das Radeberger Unternehmen ist unter anderem spezialisiert auf Konzeption und Produk­tion einbaufertiger Baugruppen für den Maschinenbau. Bei der Auslegung des Achssystems für den Scout triax kooperierte Zacher mit RK Rose+Krieger. Für die Mindener Lineartechnik­spezialisten wiederum war die Anfrage der Anstoß für die Konzeption reinraumtauglicher Lineareinheiten. Dazu optimierten die Mindener ihre erfolgreichen Profil-Lineareinheiten der RK Duoline Serie in den Baugrößen 60 und 80 für den Reinraumeinsatz. Das Ergebnis ist die neue Baureihe RK Duoline Clean. Sie umfasst spindel- und zahnriemengetriebene Lineareinheiten mit oder ohne Unterdruckanschluss. Insgesamt acht verschiedene Varianten wurden erfolgreich nach EN ISO 14644-1 getestet und erhielten die Zertifizierung für Reinräume der weltweit gültigen Klassen 1 (RK Duoline Clean 60 SU mit Unterdruckanschluss bei 0,5 m/s) bis 5 (RK Duoline Clean 80 Z ohne Unterdruckanschluss bei 0,5 m/s). Sämtliche dazu erforderlichen Tests zum Nachweis der Reinraumtauglichkeit wurden im Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart durchgeführt.
RK Rose+Krieger bietet die neuen Reinraumachsen wahlweise mit Kugelgewindetrieb oder einem Zahnriemen aus Polyurethan an. Generell verfügen sämtliche RK Duoline Clean Einheiten über ein Abdeckband aus Edelstahl.

Mission erfüllt
Im Scout triax kommen sowohl die zahnriemengetriebene Version RK Duoline 60 Z als auch die Variante RK Duoline 60 S mit Kugelgewindetrieb nahezu unverändert zum Einsatz: die Zahnriemenausführung in der horizontalen Achse und der Spindelantrieb in der vertikalen Einheit. Für den Einbau in dem autonom navigierenden Roboter kürzte RK Rose+Krieger lediglich den Schlitten der Horizontaleinheit um 10 mm. So bleibt er – ausgestattet mit dem Reticle-Pod-Greifer – innerhalb der Außenabmessungen des Roboters. „Die Art der Konstruktion des Achs-Systems im Scout triax bringt eine ungünstige Lastverteilung mit sich. Es mussten daher kompakte Achsen gefunden werden, die gleichzeitig stabil genug sind, um die auftretenden Momente aufnehmen zu können“, erklärt Dr. Hantzschmann. Die maximalen Momente der gekapselten Achsen der Baugröße 60 werden bei der Bewegung der Last an das äußere Ende der Horizontalachse zu 80 bis 90 % ausgereizt. Auch für den zuverlässigen Halt der Last während des Fahrbetriebs des Roboters fanden die Konstrukteure eine Lösung: Da der Kugelgewindetrieb in der Vertikalachse nicht selbsthemmend ist, sorgt eine Bremse im Antriebsstrang für den sicheren Halt.
Aktuell sind bereits mehrere der frei navigierenden Roboter zum Reticle-Transport in Reinräumen unterwegs. Das Prinzip lässt sich jedoch auf ähnliche Anwendungen mit vergleichbaren Bewegungsmustern übertragen. Und auch für die Reinraumachsen von RK Rose+Krieger gibt es weitere Anwendungen – unter anderem kommen mehrere RK Duoline Clean 60 Z und 80 Z bei einer Automatisierungslösung für das Handling von Glassubstraten zum Einsatz.