Hochpräzise SPS-Lösungen von Siemens für Halbleiter- und Elektronikfertigungsanlagen

Einführung in die Siemens-SPS in der Halbleiterfertigung

Die Halbleiter- und Elektronikindustrie verlangt ein Höchstmaß an Präzision, Zuverlässigkeit und Effizienz, um hochmoderne Geräte mit Funktionen im Nanometerbereich herzustellen. SPS-Systeme (Programmable Logic Controller) von Siemens haben sich zum Rückgrat der Automatisierung in diesem kritischen Sektor entwickelt und bieten die hochpräzise Steuerung, die zur Erfüllung der strengen Anforderungen der Branche erforderlich ist. Von der Waferherstellung bis zur Endmontage ermöglichen SPS-Lösungen von Siemens Herstellern, ein beispielloses Maß an Prozesskontrolle, Ertragsoptimierung und Anlagenleistung zu erreichen.

In diesem Blog werden wir untersuchen, wie die SPS-Technologie von Siemens die einzigartigen Herausforderungen der Halbleiter- und Elektronikfertigung bewältigt, und dabei Schlüsselfunktionen, reale Anwendungen und messbare Vorteile hervorheben. Darüber hinaus untersuchen wir konkrete Anwendungsfälle, die zeigen, wie Siemens-SPS-Systeme greifbare Ergebnisse für Hersteller weltweit liefern.

Wichtigste Herausforderungen in der Halbleiter- und Elektronikfertigung

Halbleiterfertigungsanlagen stehen vor mehreren kritischen Herausforderungen, die fortschrittliche Automatisierungslösungen erfordern:

• Ultra-Anforderungen an die Präzision:Prozesse wie Fotolithografie, Ätzen und Abscheiden erfordern eine Positionsgenauigkeit im Nanometerbereich und eine Temperaturkontrolle innerhalb von ±0,1 Grad
• Komplexe Mehrvariablensteuerung:Hunderte von Prozessparametern gleichzeitig koordinieren und gleichzeitig Stabilität und Wiederholbarkeit gewährleisten
• Hochgeschwindigkeits-Datenverarbeitung:Verarbeitung tausender I/O-Punkte und Sensormesswerte mit Zykluszeiten von nur 1 ms
• Strenge Sicherheits- und Zuverlässigkeitsstandards:Minimierung von Ausfallzeiten und Gewährleistung der Prozessintegrität in Reinraumumgebungen
• Nahtlose Integration mit anderen Systemen:Kommunikation mit MES (Manufacturing Execution Systems), SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) und IoT-Plattformen

Die SPS-Systeme von Siemens sind speziell für die Bewältigung dieser Herausforderungen konzipiert und bieten eine umfassende Lösung, die leistungsstarke Verarbeitungsfunktionen, fortschrittliche Steuerungsalgorithmen und nahtlose Konnektivität kombiniert.

Kerntechnologien der SPS von Siemens für Halbleitergeräte

SIMATIC S7-1500-Serie: Der Industriestandard für Präzisionssteuerung

Die SPS-Steuerungen der Serie SIMATIC S7-1500 von Siemens sind die erste Wahl für Halbleiterfertigungsanlagen und bieten außergewöhnliche Leistung und Flexibilität. Diese Controller bieten:

Die S7-1500T-CPU-Variante eignet sich besonders gut-für die Halbleiterfertigung und bietet integrierte Bewegungssteuerungsfunktionen, die die Implementierung komplexer Mehrachsensysteme wie Wafer-Handhabungsroboter und Präzisionspositionierungstische vereinfachen. Mit integrierter Unterstützung für kinematische Transformationen und Nockenprofile verkürzt diese Siemens-SPS die Entwicklungszeit und verbessert gleichzeitig die Genauigkeit der Bewegungssteuerung um bis zu 40 % im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen.

Siemens SPS-Sicherheitslösungen für Halbleiter-Reinräume

Sicherheit ist in Halbleiterfertigungsumgebungen von größter Bedeutung, wo selbst geringfügige Gerätestörungen zu katastrophalen Verlusten führen können. SPS-Sicherheitssteuerungen von Siemens, wie die Serie S7-1500F, bieten zertifizierte Sicherheitsfunktionen, die:

• Verhindern Sie den unbefugten Zugang zu Gefahrenbereichen mit Sicherheitsverriegelungen und Zugangskontrollsystemen
• Überwachen Sie kritische Prozessparameter in Echtzeit und lösen Sie automatische Abschaltungen aus, wenn die Werte sichere Grenzwerte überschreiten
• Gewährleisten Sie eine sichere Not-Aus-Funktionalität für alle angeschlossenen Geräte mit Reaktionszeiten unter 10 ms
• Behalten Sie die Datenintegrität bei sicherheitsrelevanten Ereignissen bei, um eine Ursachenanalyse zu ermöglichen und ein erneutes Auftreten zu verhindern

Bei einer aktuellen Implementierung in einer führenden Halbleiterfabrik reduzierte die Sicherheits-SPS S7-1500F von Siemens die sicherheitsrelevanten Ausfallzeiten um 65 % und verbesserte gleichzeitig die Gesamtanlageneffektivität (OEE) um 12 %.

Hauptanwendungen der Siemens-SPS in Halbleiterfertigungsanlagen

1. Wafer-Herstellungsausrüstung: Präzisionskontrolle für Prozesse im Nanometerbereich-

Die Waferherstellung ist der kritischste Schritt in der Halbleiterfertigung und erfordert ein Höchstmaß an Präzision und Kontrolle. Siemens-SPS-Systeme spielen in mehreren Schlüsselprozessen eine zentrale Rolle:

Fotolithographiesysteme

In Fotolithographiegeräten verwalten SPS-Steuerungen von Siemens die Ausrichtung von Masken und Wafern mit einer Präzision im Sub--Nanometerbereich. Die S7-1500T-CPU ermöglicht:

• Positionierungsgenauigkeit von ±0,05 μm für Wafertische, entscheidend für die Herstellung von 7-nm- und 5-nm-Prozessknoten
• Synchronisierte Bewegungssteuerung von bis zu 32 Achsen mit PROFINET IRT, um sicherzustellen, dass Masken- und Waferbewegungen perfekt koordiniert sind
• Echtzeit-Fokusanpassung basierend auf Sensorrückmeldungen, wobei die Gleichmäßigkeit der kritischen Dimension (CD) über die gesamte Waferoberfläche aufrechterhalten wird

Ein führender Hersteller von Fotolithographiegeräten berichtete über eine Reduzierung der Ausrichtungsfehler um 28 % nach der Implementierung von SPS-Steuerungssystemen von Siemens, was sich direkt in einer Steigerung der Waferausbeute um 9 % niederschlägt.

Ätz- und Abscheidungsausrüstung

Bei Ätz- und Abscheidungsprozessen regeln SPS-Systeme von Siemens präzise Parameter wie:

• Plasmadichte mit einer Genauigkeit von ±0,5 % unter Verwendung von Regelalgorithmen mit geschlossenem Regelkreis
• Gasdurchflussraten im Bereich von ±0,1 sccm (Standardkubikzentimeter pro Minute) für Prozessgase wie Argon, Sauerstoff und Verbindungen auf Fluor--Basis
• Temperaturkontrolle der Prozesskammern innerhalb von ±0,05 Grad, um eine gleichmäßige Filmdicke und -zusammensetzung sicherzustellen

2. Elektronik-Montage- und Prüfgeräte

Die SPS-Lösungen von Siemens sind gleichermaßen wertvoll für elektronische Montage- und Testprozesse, bei denen Präzision und Geschwindigkeit für die Massenproduktion von entscheidender Bedeutung sind:

SMT-Linien (Surface Mount Technology).

In SMT-Montagelinien steuern SPS-Steuerungen von Siemens Bestückungs- und Platzierungsmaschinen mit:

• Komponentenplatzierungsgenauigkeit von ±0,02 mm bei 4 Sigma, was eine zuverlässige Montage von Mikrochips mit Rastermaßen von nur 0,3 mm ermöglicht
• Zykluszeiten von nur 0,08 Sekunden pro Bauteil unterstützen Produktionsraten von bis zu 45.000 Bauteilen pro Stunde
• Echtzeit-Qualitätsprüfungsintegration, die fehlerhafte Komponenten aussortiert, bevor sie auf Leiterplatten platziert werden

Ein großer Elektronikhersteller implementierte die SPS-Steuerung von Siemens in seinen SMT-Linien, was zu einer Reduzierung der Platzierungsfehler um 35 % und einer Steigerung des Liniendurchsatzes um 22 % führte.

Automatisierte Testgeräte (ATE)

Siemens-SPS-Systeme bieten die Hochgeschwindigkeitssteuerung, die für ATE-Systeme erforderlich ist, die Halbleiterbauelemente in verschiedenen Produktionsphasen testen:

• Ausführung von Testsequenzen mit Zykluszeiten von nur 1 ms, was das parallele Testen mehrerer Geräte ermöglicht
• Präzise Signalerzeugung und -messung mit einer Genauigkeit von ±0,01 % für Spannungs-, Strom- und Frequenzparameter
• Nahtlose Datenübertragung an MES-Systeme für-Echtzeit-Ertragsanalyse und Prozessoptimierung

Siemens SPS-Lösungsarchitektur für Halbleitergeräte

Hardwarekomponenten: Bausteine ​​der Präzisionssteuerung

Eine typische Siemens-SPS-Lösung für Halbleiterfertigungsanlagen umfasst die folgenden Schlüsselkomponenten:

• SIMATIC S7-1500 CPU:Der Verarbeitungskern mit Optionen für Standard- (S7-1500) oder Sicherheitssteuerungen (S7-1500F) je nach Anwendungsanforderungen
• Dezentrales Peripheriesystem ET 200SP:Modulare E/A-Module mit hoher-Dichte, die bis zu 64 Kanäle pro Modul mit 16-Bit-Auflösung für analoge Signale bereitstellen
• SIMATIC HMI Panels:Touchscreen-Schnittstellen mit Echtzeit-Datenvisualisierung und Bedienersteuerungsfunktionen
• SINAMICS-Antriebe:Präzise Motorsteuerungssysteme, die eine Drehmomentgenauigkeit von ±0,1 % für Waferhandhabungs- und Positionierungsanwendungen liefern
• PROFINET-Netzwerkinfrastruktur:Hochgeschwindigkeits-Industrie-Ethernet mit Zykluszeiten von bis zu 31,25 μs für synchronisierte Bewegungssteuerung und Datenaustausch

Diese Hardware-Architektur stellt sicher, dass die SPS-Systeme von Siemens die anspruchsvollsten Anwendungen in der Halbleiterfertigung bewältigen und gleichzeitig ein Höchstmaß an Präzision und Zuverlässigkeit gewährleisten können.

Software-Ökosystem: TIA Portal und darüber hinaus

Die SPS-Lösung von Siemens wird durch ein leistungsstarkes Software-Ökosystem ergänzt, das die Entwicklung, Bereitstellung und Wartung vereinfacht:

• TIA-Portal (Totally Integrated Automation):Eine einheitliche Engineering-Plattform, die eine nahtlose Konfiguration von Siemens-SPS-Systemen, HMI-Panels, Antrieben und Sicherheitskomponenten ermöglicht
• SIMATIC WinCC:SCADA-Software, die Echtzeitüberwachung und Datenerfassung mit erweiterten Visualisierungsfunktionen bietet
• SIMATIC Safety Matrix:Grafisches Tool zum Entwerfen und Implementieren von Sicherheitsfunktionen in S7-1500F-Steuerungen
• Simulationssoftware SIMIT:Ermöglicht die virtuelle Inbetriebnahme von Siemens-SPS-Programmen vor der physischen Implementierung und verkürzt so die Markteinführungszeit um bis zu 30 %.

Durch die Integration dieser Softwaretools in die SPS-Hardware von Siemens entsteht eine umfassende Automatisierungslösung, die alle Aspekte der Steuerung von Halbleiterfertigungsanlagen abdeckt.

Praxisnahe-Fallstudie: Siemens PLC in Wafer-Ätzanlagen

Kundenherausforderung

Ein führender Hersteller von Halbleiterausrüstung musste seine Plasmaätzsysteme aufrüsten, um den Präzisionsanforderungen der 5-nm-Prozesstechnologie gerecht zu werden. Ihr bestehendes Kontrollsystem hatte Probleme mit:

• Beibehaltung der Gleichmäßigkeit der Plasmadichte innerhalb von ±1 % über 300-mm-Wafer hinweg
• Erzielen stabiler Ätzraten mit einer Abweichung von weniger als 0,5 % pro Wafer
• Reduzierung der Prozessdrift, um Wafer--zu-Variationen zu minimieren
• Verbesserung der Systemverfügbarkeit durch Reduzierung ungeplanter Wartungsereignisse

Implementierung der Siemens SPS-Lösung

Der Hersteller realisierte eine Siemens SPS-Lösung auf Basis der S7-1500F CPU 1518F-4 PN/DP mit folgenden Komponenten:

• S7-1500F CPU mit integrierten Sicherheitsfunktionen für SIL 3-Konformität
• ET 200SP I/O-Module für hochpräzise analoge Signalerfassung (16-Bit-Auflösung)
• PROFINET IRT-Kommunikation zur synchronisierten Steuerung von Plasmageneratoren und Wafer-Positionierungssystemen
• SIMATIC WinCC zur Prozessüberwachung und Datenprotokollierung in Echtzeit
• Fortschrittliche PID-Regelalgorithmen, optimiert für die Dynamik von Plasmaprozessen

Detaillierter Testprozess und Ergebnisse

Die SPS-Lösung von Siemens wurde in einer Produktionsumgebung strengen Tests unterzogen, mit der folgenden Methodik und den folgenden Ergebnissen:

Testmethodik

• Basismessung:100 Wafer wurden mit dem vorhandenen Steuerungssystem bearbeitet, um Leistungsmaßstäbe zu ermitteln
• Siemens SPS-Integration:Installation und Inbetriebnahme des neuen Steuerungssystems mit minimaler Produktionsunterbrechung
• Leistungsvalidierung:500 Wafer wurden verarbeitet, um die Fähigkeiten des neuen Systems zu bewerten
• Langzeitstabilitätstests:Kontinuierlicher Betrieb für 30 Tage zur Beurteilung der Systemzuverlässigkeit und der Drifteigenschaften
• Datenanalyse:Vergleich wichtiger Kennzahlen, einschließlich Ätzratengleichmäßigkeit, Prozessdrift und Geräteverfügbarkeit

Wichtige Leistungsverbesserungen

Die detaillierten Testergebnisse bestätigten, dass die SPS-Lösung von Siemens erhebliche Verbesserungen bei allen kritischen Leistungskennzahlen lieferte, was sich direkt in einer höheren Produktivität und Rentabilität für den Hersteller niederschlug.

Zusätzliche Vorteile

Über die quantitativen Verbesserungen hinaus bot die Siemens-SPS-Lösung mehrere qualitative Vorteile:

• Reduzierte Wartungskosten:Durch die Echtzeit-Datenanalyse ermöglichte vorausschauende Wartungsfunktionen reduzierten die Wartungskosten um 28 %.
• Schnellere Prozessentwicklung:Dank der Flexibilität des Siemens-SPS-Systems konnten Ingenieure neue Prozessrezepte 40 % schneller implementieren als mit dem Vorgängersystem
• Verbesserte Datenintegrität:Die nahtlose Integration in das MES-System des Herstellers gewährleistete die vollständige Rückverfolgbarkeit jedes verarbeiteten Wafers
• Skalierbarkeit:Der modulare Aufbau der SPS-Lösung von Siemens ermöglichte eine einfache Aufrüstung für zukünftige Prozessanforderungen und schützte so die Investition des Herstellers

Wie Siemens PLC hohe Präzision liefert: Technischer Deep Dive

Erweiterte Steuerungsalgorithmen für Halbleiterprozesse

Die SPS-Systeme von Siemens enthalten spezielle Steuerungsalgorithmen, die auf die besonderen Herausforderungen der Halbleiterfertigung zugeschnitten sind:

• Modellprädiktive Regelung (MPC):Optimiert mehrere Prozessvariablen gleichzeitig unter Berücksichtigung von Einschränkungen und zukünftigen Sollwerten, um ein Überschwingen zu verhindern und Stabilität sicherzustellen. Bei Abscheidungsprozessen verbessert MPC nachweislich die Gleichmäßigkeit der Filmdicke um 35 % im Vergleich zur herkömmlichen PID-Steuerung
• Adaptive Steuerung:Passt die Steuerparameter automatisch in Echtzeit an die Prozessdynamik an und gleicht Abweichungen und externe Störungen aus. Diese Technologie reduzierte in einer kürzlich durchgeführten Implementierung die Schwankung der Ätzrate um 60 %
• Fuzzy-Logic-Steuerung:Behandelt komplexe, nicht{0}}lineare Beziehungen zwischen Prozessparametern, die mathematisch schwer zu modellieren sind. In Photolithographie-Ausrichtungssystemen verbesserte Fuzzy-Logik die Positionierungsgenauigkeit um 25 %

Hochgeschwindigkeitsdatenverarbeitung und -kommunikation

Die Rechenleistung der SPS-Systeme von Siemens ermöglicht es ihnen, den enormen Datendurchsatz zu bewältigen, der für die Halbleiterfertigung erforderlich ist:

• Multi-Core-CPUs der S7-1500-Serie können bis zu 10.000 E/A-Punkte mit Zykluszeiten von nur 1 ms verarbeiten
• Die PROFINET IRT-Kommunikation ermöglicht eine deterministische Datenübertragung mit einem Jitter von weniger als 1 μs und gewährleistet so den synchronisierten Betrieb mehrerer Geräte
• Edge-Computing-Funktionen ermöglichen eine Datenanalyse in Echtzeit auf Geräteebene, reduzieren die Latenz und verbessern die Reaktionszeiten um 50 % im Vergleich zu cloudbasierten Lösungen

Integration mit Digital Twin-Technologie

Siemens-SPS-Systeme lassen sich nahtlos in die digitale Zwillingstechnologie integrieren und erstellen eine virtuelle Darstellung der physischen Ausrüstung, die Folgendes ermöglicht:

• Virtuelle Inbetriebnahme:Testen und Optimieren von Siemens-SPS-Programmen in einer simulierten Umgebung vor der Bereitstellung, wodurch die Inbetriebnahmezeit um bis zu 30 % verkürzt wird
• Vorausschauende Wartung:Echtzeitvergleich der tatsächlichen Geräteleistung mit dem digitalen Zwilling, um potenzielle Probleme zu erkennen, bevor sie zu Ausfallzeiten führen
• Prozessoptimierung:Mithilfe der Simulation können Sie neue Prozessparameter und Rezepturen testen, ohne die Produktion zu unterbrechen

Auswahl der richtigen Siemens-SPS für Ihre Halbleiterausrüstung

Wichtige Auswahlkriterien

Berücksichtigen Sie bei der Auswahl einer Siemens-SPS-Lösung für Halbleiterfertigungsanlagen die folgenden Faktoren:

• Verarbeitungsvoraussetzungen:Bewerten Sie die Anzahl der E/A-Punkte, die erforderlichen Zykluszeiten und die Komplexität der Steuerungsalgorithmen
• Präzisionsanforderungen:Bestimmen Sie die erforderliche Genauigkeit für Positions-, Temperatur-, Druck- und Durchflusskontrollparameter
• Sicherheitsanforderungen:Beurteilen Sie, ob für Ihre Anwendung eine Sicherheitszertifizierung nach SIL 2 oder SIL 3 erforderlich ist
• Kommunikationsprotokolle:Stellen Sie die Kompatibilität mit bestehenden Systemen sicher (PROFINET, EtherCAT, Modbus usw.)
• Skalierbarkeit:Planen Sie zukünftige Erweiterungen und Technologie-Upgrades

Empfohlene Siemens-SPS-Modelle für Halbleiteranwendungen

Basierend auf diesen Kriterien sind hier die am besten geeigneten Siemens-SPS-Modelle für gängige Halbleitergeräteanwendungen:

Eine erfolgreiche Partnerschaft mit Siemens

Siemens bietet umfassende Supportleistungen, um Hersteller bei der Implementierung und Optimierung ihrer Siemens-SPS-Lösungen zu unterstützen, darunter:

• Anwendungstechnik:Fachkundige Anleitung zum Systemdesign und zur Konfiguration für bestimmte Halbleiterprozesse
• Trainingsprogramme:Praxisnahe-Schulung für Ingenieure und Techniker zur Siemens-SPS-Programmierung und -Wartung
• Technische Unterstützung:Rund um die Uhr Zugriff auf das globale Netzwerk von Automatisierungsexperten von Siemens
• Software-Updates:Regelmäßige Updates, um die Kompatibilität mit den neuesten Halbleiterfertigungstechnologien sicherzustellen

Fazit: Die Zukunft der Halbleiterfertigung mit Siemens PLC

Da die Halbleitertechnologie weiter voranschreitet, wird die Nachfrage nach hochpräzisen Automatisierungslösungen nur noch zunehmen. Siemens-SPS-Systeme stehen an der Spitze dieser Entwicklung und bieten die Leistung, Zuverlässigkeit und Flexibilität, die erforderlich sind, um die anspruchsvollsten Anforderungen der Branche zu erfüllen.

Durch die Implementierung von SPS-Lösungen von Siemens können Halbleiter- und Elektronikhersteller Folgendes erreichen:

• Unübertroffene Präzision:Positioniergenauigkeit bis in den Nanometerbereich und Prozesskontrolle innerhalb enger Toleranzen
• Verbesserte Produktivität:Höherer Durchsatz, kürzere Ausfallzeiten und längere Geräteverfügbarkeit
• Verbesserte Qualität:Bessere Prozesseinheitlichkeit, weniger Defekte und höhere Waferausbeuten
• Zukunftssichere-Investition:Skalierbare Lösungen, die sich an sich ändernde Prozessanforderungen anpassen können

Ganz gleich, ob Sie hochmoderne Mikrochips, fortschrittliche Sensoren oder hochmoderne Unterhaltungselektronik herstellen, die SPS-Technologie von Siemens bildet die Grundlage für den Erfolg in der wettbewerbsintensiven Halbleiterindustrie von heute.