Schulungslösungen im Bereich Halbleiterfertigung

Alles beginnt mit hochreinen Siliziumrohlingen (Ingots), die in der Regel in einem spezialisierten Fertigungsbetrieb nach dem sogenannten Czochralski-Verfahren hergestellt und an Halbleiter-Foundries und -Fabs verkauft werden.

Bei der Wafer-Herstellung werden die Ingots in dünne, runde Scheiben (Wafer) geschnitten. Diese Wafer werden dann zur Oberflächenglättung poliert. Zum Schneiden der Rohlinge werden sogenannte Wafer-Sägemaschinen eingesetzt, während Läpp- und Poliermaschinen die Wafer polieren.

Auf der Oberfläche der Siliziumwafer wächst eine dünne Schicht aus Siliziumdioxid. Diese isolierende Schicht hilft bei späteren Schritten im Fertigungsprozess. Dies erfolgt in speziellen Öfen, den sogenannten Oxidationsöfen.

In diesem Schritt wird das Layout des Schaltkreises auf dem Wafer festgelegt. Ein lichtempfindlicher Fotolack, der sog. Photoresist, wird auf den Wafer aufgebracht. Anschließend wird mit einer speziellen Maschine, dem Fotolithografie-Stepper, ein Muster darauf projiziert. Diese Maschine funktioniert wie ein Projektor, aber mit sehr präziser Steuerung. Um Genauigkeit und Konsistenz zu gewährleisten, werden Maskenausrichtsysteme eingesetzt.

Durch selektives Ätzen wird Material von der Wafer-Oberfläche entsprechend dem Muster des Photoresists entfernt. Bei diesem Schritt werden die Merkmale des Halbleiters festgelegt. Es gibt verschiedene Arten von Ätzmaschinen: Nassätzer, die chemische Lösungen verwenden, oder Trockenätzer, die mit Gasen oder Plasma arbeiten.

Fotolithografie und Ätzverfahren werden auf jeder einzelnen Schicht des Wafers wiederholt.

Durch Abscheidung werden dünne Schichten von Material auf die Wafer-Oberfläche aufgetragen, um die Schaltungen aufzubauen und die gewünschten Strukturen zu erzeugen. Bei Systemen zur chemischen Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD) werden Vorläufergase in eine Reaktionskammer geleitet, wo sie reagieren und eine dünne Schicht bilden. Bei Systemen zur physikalischen Gasphasenabscheidung (Physical Vapor Deposition, PVD) werden physikalische Verfahren wie Verdampfen oder Sputtern eingesetzt, um Material auf der Wafer-Oberfläche abzuscheiden.

Bei der Dotierung werden Verunreinigungen in das Halbleitermaterial eingebracht, um dessen elektrische Eigenschaften zu verändern. Die Ionenimplantation ist eine gängige Dotierungsmethode. Ionenimplantationsanlagen beschleunigen Ionen auf die Wafer-Oberfläche, um Dotierstoffe in definierten Tiefen einzubringen. Diffusionsöfen erhitzen den Wafer in Anwesenheit von Dotiergasen, damit die Dotierstoffe in das Halbleitermaterial diffundieren.

Bei diesem Schritt, der auch als Metallisierung bezeichnet wird, werden Metallschichten auf den Wafer aufgebracht, um die verschiedenen Komponenten der Schaltung miteinander zu verbinden und einen Leitweg für den Stromfluss herzustellen. Dies erfolgt mithilfe von Depositionssystemen, die denen ähnlich sind, die bereits im Depositionsprozess verwendet werden. Sobald das Metall abgeschieden ist, wird es mithilfe der Fotolithografie strukturiert, um die Leiterbahnen herzustellen.

Je nach Art des herzustellenden Halbleiters lassen sich elektronische Komponenten wie Kondensatoren, Transistoren, Widerstände und Dioden in verschiedenen Schritten des Herstellungsprozesses in diesen integrieren.

Die Halbleiter werden getrennt, verpackt und getestet, um Funktionalität und Zuverlässigkeit sicherzustellen. Mit Bondern werden einzelne Chips auf den Substraten befestigt, mit Drahtbondern werden die Chips elektrisch mit den Metallkontakten des Chipgehäuses verbunden, Verkapselungsanlagen versiegeln die Chips in Schutzmaterialien, und Testsysteme führen elektrische Prüfungen durch, um die Funktionsfähigkeit und Qualität der Chips sicherzustellen. Mit Electric-Die-Sorting-Maschinen (EDS) werden die elektrischen Eigenschaften jedes Chips getestet und die Chips anhand ihrer Leistungsmerkmale sortiert.

Ein Onboarding-Programm für neue Mitarbeiter in der Halbleiterindustrie sollte die Themen abdecken, die für ein umfassendes Verständnis der Grundlagen und der Fertigungsprozesse von Halbleitern von zentraler Bedeutung sind.

Eine Einführung in die Halbleiterphysik einschließlich Konzepten wie Bandtheorie, Dotierung und Ladungsträgermobilität, sowie ein Überblick über die Wertschöpfungskette der Halbleiterindustrie bilden die Grundlage. Anschließend vermittelt ein Überblick über Halbleitermaterialien, Bauelementstrukturen und Bauelementeigenschaften den neuen Mitarbeitern die Grundlagen.

Anschließend werden die Halbleiter- Herstellungsprozesse, einschließlich Fotolithografie, Ätzen, Abscheidung und Verpackung, betrachtet, um einen Einblick in die Feinheiten der Produktion zu vermitteln. Eine Einführung in den Betrieb und die Wartung von Produktionsanlagen sowie in Messinstrumente, um sich mit den wesentlichen Werkzeugen vertraut zu machen.

Reinraumprotokoll - und  Sicherheitsstandards sind entscheidend, um die Kontaminationskontrolle und die Arbeitssicherheit zu gewährleisten. Prinzipien der Qualitätskontrolle und Techniken zur Datenanalyse runden das Programm ab und unterstreichen die Bedeutung von Produktqualität und Prozessoptimierung.

Mit der Konzentration auf diese Kernthemen erlangen neue Mitarbeiter ein solides Verständnis der Halbleiterfertigung und schaffen damit die Grundlage für ihren Erfolg in der Branche.

Die Halbleiterfertigung ist von der Digitalisierung geprägt, denn sie bildet die Grundlage für Industrie 4.0-Technologien wie das Industrielle Internet der Dinge (IIoT), cyber-physikalische Systeme, additive Fertigung, Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR), künstliche Intelligenz (KI), Big Data-Analytik und andere fortschrittliche Innovationen. In diesem Zusammenhang optimiert die Digitalisierung von Fabrikautomatisierungstechnologien die Produktionsprozesse und steigert die Betriebseffizienz.

Mechatronik, ein interdisziplinäres Fachgebiet, das Maschinenbau, Elektrotechnik und Informatik verbindet, ist entscheidend, um die komplexen Maschinen und robotergestützten Systeme, die in der Halbleiterproduktion eingesetzt werden, zu verstehen und zu warten. Da Fertigungsanlagen zunehmend zu vernetzten Produktionslinien werden, benötigen Bediener darüber hinaus Fachkenntnisse in Netzwerktechnologien , um eine nahtlose Kommunikation und Koordination zwischen den Geräten und Systemen sicherzustellen. MES Plattformen spielen eine entscheidende Rolle bei der Optimierung von Produktionsprozessen, der Einsatzplanung und der Ressourcenverteilung, weshalb Bediener in deren Handhabung und Nutzung versiert sein müssen.

Da die  Energieeffizienz immer stärker in den Mittelpunkt rückt, müssen die Mitarbeiter außerdem über Kenntnisse der Grundsätze des Energiemanagements verfügen, insbesondere in Bereichen wie elektrische Systeme und Druckluftnutzung, um den Energieverbrauch zu minimieren und die Umweltauswirkungen von Halbleiterfertigungsanlagen zu verringern.

Roboter, sowohl industrielle als auch mobile, sind zu integralen Bestandteilen der modernen Fertigungsumgebung geworden.

Industrieroboter handhaben Siliziumwafer während des gesamten Herstellungsprozesses. Sie werden in der Halbleiterbestückung und -verpackung eingesetzt, um Bauteile mit hoher Präzision zu greifen und zu platzieren. Industrieroboter helfen bei Ätz- und Abscheidungsprozessen, indem sie Substrate und Masken präzise in den Prozesskammern positionieren. Sie sind in der Messtechnik und Inspektion und sogar in der Reinrauminstandhaltung zu finden. Je nach Aufgabe werden verschiedene Robotertypen eingesetzt, wie z. B. Gelenkarmroboter, kartesische Roboter, kollaborative Roboter (Cobots) und andere.

Autonome oder halbautonome mobile Roboter werden auch für das Material-Handling (Transport von Materialien, Bauteilen oder fertigen Produkten zwischen verschiedenen Bereichen der Fertigungsanlage), die Bestandsverwaltung (Verfolgung und Auffinden von Halbleiterwafern, Bauteilen oder Werkzeugen) und Inspektionen eingesetzt.

SPS werden in Halbleiterfertigungssystemen weit verbreitet eingesetzt, um verschiedene Prozesse zu steuern und zu koordinieren. Solide Kenntnisse im Umgang mit SPS sind für Personen in der industriellen Automatisierung, Fertigung und Prozesssteuerung unerlässlich. Sie befähigen dazu, SPS effektiv zu programmieren, zu bedienen und zu warten, Produktionsprozesse zu optimieren und einen reibungslosen Betrieb der Industriemaschinen sicherzustellen.

Das Verständnis der SPS-Hardwarekomponenten ist für die Auswahl, Installation, Konfiguration und Fehlersuche von SPS-Systemen unerlässlich. Kenntnisse in SPS-Programmiersprachen ]sind entscheidend für die Entwicklung, das Testen und Debuggen von SPS-Programmen unter Verwendung professioneller Programmiersoftware. Darüber hinaus ist die Integration von Sicherheitsfunktionen in SPS-Programme, wie Not-Aus-Schaltungen, Verriegelungen und sicherheitszertifizierte Relais, von entscheidender Bedeutung.

Da SPS häufig in ein industrielles Netzwerk eingebunden sind, müssen Techniker auch wissen, wie SPS mit verschiedenen Produktionsanlagen und Systemen in Halbleiter-Fabs interagieren. Dies umfasst das Verständnis von Sensortechnologien, Aktuatortypen, Kommunikationsprotokollen und Datenaustauschmechanismen, die verwendet werden, um SPS mit Geräten wie Robotern, Vakuumkammern, Chemikaliendosiersystemen und Messtechnikgeräten zu integrieren. Die Konfiguration von SPS-Kommunikationsschnittstellen, die Einrichtung von Netzwerkverbindungen und die Fehlersuche bei Kommunikationsproblemen erfordern ein solides Verständnis der industriellen Kommunikationsprotokolle.

Darüber hinaus sollten die Mitarbeiter in der Lage sein, die von den SPS erzeugten Daten zu sammeln, zu verarbeiten und zu analysieren, um die Leistungsfähigkeit der Prozesse überwachen, Abweichungen erkennen und die Herstellungsprozesse optimieren zu können.

Elektrische Systeme spielen eine entscheidende Rolle bei der Energieversorgung, Steuerung und Überwachung von Halbleiterfertigungsanlagen und -prozessen.

Alle Techniker benötigen ein solides Verständnis der Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik, einschließlich elektrischer Prinzipien wie Spannung, Strom, Widerstand, Leistung und Stromkreise. Schulungen zu elektrischen Sicherheitspraktiken, einschließlich Sperr- und Kennzeichnungsvorrichtungen (Lockout/Tagout), sachgerechtem Einsatz persönlicher Schutzausrüstung (PSA) und Vorsichtsmaßnahmen beim Arbeiten mit Hochspannungsgeräten, sind von höchster Bedeutung.

Elektromotoren sind in Maschinen und Systemen der Halbleiterfertigung häufig zu finden, da sie effizient, genau und zuverlässig sind. Ihre Fähigkeit, eine gleichbleibende Leistung zu erbringen, kombiniert mit geringen Wartungsanforderungen, macht Elektromotoren zur bevorzugten Wahl für die Versorgung kritischer Geräte wie Roboterarme, Fördersysteme, Vakuumpumpen und Wafer-Handlingsysteme in Halbleiterfertigungsanlagen.

Elektromotorsteuerungen gewährleisten Effizienz, Präzision, Zuverlässigkeit und Sicherheit in den Produktionsprozessen. Geschwindigkeit, Drehmoment, Richtung und Position können mithilfe grundlegender Technologien wie Relais, Schrittmotor- und Servoantrieben, frequenzgeregelten Antrieben sowie SPS usw. geregelt werden.

Fachwissen in Elektronik ist für Mitarbeiter in der Halbleiterfertigung unverzichtbar, da es ihnen ermöglicht, die zugrunde liegenden Prinzipien der Halbleitertechnologie zu verstehen, Fertigungsprozesse zu optimieren, komplexe Geräte zu bedienen sowie Schaltungen und Leiterplatten zu prüfen, Störungen zu beheben und zu reparieren. Fundierte Kenntnisse in Schaltungstechnik, Leistungselektronik, Analog- und Digitalelektronik sind besonders relevant in der Halbleiterfertigung, da dort komplexe elektronische Komponenten und Systeme in den Produktionsanlagen eingesetzt werden.

Pneumatische und elektropneumatische Komponenten werden in Halbleiterfertigungsanlagen häufig für verschiedene Zwecke eingesetzt, einschließlich Ansteuerung, Steuerung und Handhabung. Die Vakuumtechnik sorgt dafür, dass die Wafer während der Fotolithografie- und Ätzprozesse ausgerichtet und stabil gehalten werden. Pneumatikpumpen und -ventile sorgen für eine präzise und gleichmäßige Versorgung mit Gasen und Chemikalien.

Angesichts des Bedarfs an hoher Genauigkeit, komplexer Automatisierung und datengesteuerter Optimierung in der Halbleiterfertigung bietet Digitalpneumatik – mit digitaler Automatisierungstechnik ausgestattete Pneumatik-Komponenten – verbesserte Funktionen, präzise Steuerung sowie Kommunikationsmöglichkeiten.

Diese Technologien ermöglichen kostengünstige, leistungsstarke Lösungen mit kurzen Ansprechzeiten, einfacher Installation und Wartung, Sauberkeit und Anpassungsfähigkeit. Darüber hinaus sind pneumatische Systeme funkenfrei und eigensicher, wodurch sie sich für den Einsatz in den oft gefährlichen Umgebungen von Halbleiterfertigungsanlagen eignen.

Sensoren spielen eine entscheidende Rolle bei der Überwachung, Steuerung und Optimierung verschiedener Prozesse, Anlagen und Umgebungen, um die Herstellung hochwertiger Halbleiter zu gewährleisten. Sensoren überwachen unter anderem Temperatur, Druck, Durchfluss, Füllstand, optische Eigenschaften, Vibrationen und Position und liefern Echtzeitinformationen über die Prozessbedingungen. Auf diese Weise können die Bediener optimale Parameter einhalten und Abweichungen, die sich auf die Qualität der Produkte auswirken könnten, sofort erkennen.

In den letzten Jahren haben intelligente Sensoren und ihre nahtlose Integration in industrielle Steuerungssysteme die Automatisierung auf ein neues Niveau gehoben und bieten eine höhere Effizienz, verbesserte Genauigkeit und Zuverlässigkeit.

Obwohl es sich bei den Halbleiter-Fabs um hochautomatisierte und hochtechnisierte Umgebungen handelt, sind grundlegende Kenntnisse zur Bedienung von Maschinen und Systemen erforderlich:

Pumpen und Leitungssysteme sind integrale Bestandteile von Halbleiterfertigungsanlagen. Sie unterstützen verschiedene Prozesse und Abläufe, wie die Zuführung von Chemikalien und Gasen, Kühlung, Vakuumerzeugung und Abfallmanagement.

Mechanische Antriebssysteme basieren auf Komponenten (z. B. Riemen, Ketten, Zahnräder), die Kraft und Bewegung von Motoren auf die beweglichen Teile innerhalb von Halbleiterbearbeitungsmaschinen übertragen.

Industrielle Elektroinstallationen spielen eine entscheidende Rolle bei der Versorgung und Vernetzung verschiedener Maschinen und Systeme, sodass diese zuverlässig und effizient betrieben werden können.

Grundlegende dimensionale Messtechnik und der sachgerechte Umgang mit gängigen Handwerkzeugen sind unerlässlich für effiziente Wartungs- und Reparaturarbeiten an Produktionsanlagen und Maschinen.

Bei der Herstellung von Halbleitern sind Heizung, Lüftung und Klima (HLK) sowie Kältesysteme unerlässlich, um die für eine qualitativ hochwertige Produktion erforderlichen genauen Umgebungsbedingungen aufrechtzuerhalten. Diese Systeme kontrollieren die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit und die Luftqualität, die für den Herstellungsprozess unerlässlich sind.

Techniker müssen im Umgang mit Überwachungswerkzeugen versiert sein, um diese Umweltkennwerte erfassen und verfolgen zu können. Ihre technische Kompetenz muss auch das Verständnis von HLK-Steuerungssystemen umfassen sowie das Wissen, wie diese Systeme in andere Anlagen- und Prozesssysteme integriert sind. Sie müssen außerdem grundlegende Konzepte der Kältetechnik verstehen, wie die Grundlagen der Thermodynamik und den Kältezyklus.

Die Herstellung von Halbleitern erfordert eine Vielzahl von Prozess- und Kontrollinstrumenten, um eine präzise Steuerung, Überwachung und Optimierung der Prozessvariablen wie Durchfluss, Füllstand, Druck, Temperatur, pH-Wert und Leitfähigkeit zu gewährleisten. Gängige Beispiele sind Durchflussmesser, pH-Sensoren und Druckregler. Sender, Ventile und andere Feldgeräte sind ebenfalls entscheidende Komponenten innerhalb dieser Prozesskreise.

Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) und Distributed Control Systems (DCS) sind Beispiele für automatisierte Steuerungssysteme, die Prozessparameter basierend auf Rückmeldungen von Sensoren anpassen, um die gewünschten Bedingungen aufrechtzuerhalten und eine gleichbleibende Qualität der Halbleiterprodukte zu gewährleisten. Diese Systeme regeln Gasdurchflussraten, Chemikaliendosierungen und Geräteeinstellungen mit hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit. SCADA-Systeme überwachen und visualisieren Prozessdaten typischerweise in Echtzeit, während DCS-Systeme eine zentrale Steuerung und Koordination von Prozessequipment und -abläufen ermöglichen.

Die Halbleiterfertigung ist stark auf ultrareines Wasser mit minimalen Verunreinigungen angewiesen. Ultrapure-Water-Systeme (UPW-Systeme) verwenden moderne Reinigungsverfahren wie Umkehrosmose, Ionenaustausch und Filtration, um strenge Qualitätsstandards zu erfüllen. Dieses gereinigte Wasser ist ein wesentlicher Bestandteil verschiedener Herstellungsprozesse, einschließlich Wafer-Reinigung, Chemikalienmischung und Spülung. Die Aufrechterhaltung von Qualität und Menge des Prozesswassers ist entscheidend für konsistente und zuverlässige Produktionsabläufe.

Darüber hinaus ist Wasser auch ein wichtiges Kühlmittel, das die Ausrüstung vor Überhitzung schützt und eine optimale Leistung gewährleistet. Da bei der Herstellung von Halbleitern Abwässer anfallen, die verschiedene Chemikalien und Kontaminanten enthalten, sind wirksame Behandlungsverfahren unerlässlich, bevor das Wasser abgeleitet, recycelt oder wiederverwendet wird. Dadurch werden der Wasserverbrauch und die Umweltauswirkungen minimiert und nachhaltige Herstellungspraktiken gewährleistet.

Betriebliche Exzellenz und Produktqualität sind tragende Säulen der Halbleiterherstellung und erfordern ein gründliches Verständnis verschiedener Prinzipien, um Effizienz, Zuverlässigkeit und hervorragende Produkte zu gewährleisten.

Wenn Mitarbeiter die Konzepte von Lean Production, einschließlich Abfallreduzierung, kontinuierlicher Verbesserung und Wertstromanalyse, verstehen, sind sie in der Lage, Prozesse zu optimieren und Ineffizienzen in der gesamten Halbleiterfertigung zu beseitigen.

Kenntnisse in Techniken der statistischen Prozesskontrolle (SPC) helfen Bedienern, Fertigungsprozesse zu überwachen und zu steuern, die Konsistenz aufrechtzuerhalten und Abweichungen, die die Produktqualität beeinträchtigen könnten, schnell zu erkennen.

Kenntnisse der Prinzipien der Total Productive Maintenance (TPM) sind unerlässlich, um die Zuverlässigkeit der Anlagen zu gewährleisten, Stillstandszeiten zu minimieren und die Gesamtanlageneffektivität (OEE) in Halbleiterfertigungsanlagen zu maximieren.

Darüber hinaus erweitert die Beherrschung zusätzlicher Themen wie Poka Joch, 5S Arbeitsplatzorganisation, Wertstromanalyse und -darstellung sowie Six-Sigma-Methoden die Fähigkeiten der Mitarbeiter und verbessert die Fertigungsabläufe.

Durch die Bereitstellung von Geräten, die der Umgebung in Halbleiterfabriken entsprechen, wird sichergestellt, dass sich die Lernenden mit branchenüblichen Maschinen und Technologien vertraut machen können.

Durch praktische Übungen, Experimente und Projekte, die reale Fertigungsszenarien simulieren, können die Studenten wertvolle praktische Erfahrungen sammeln.

Der Einsatz von multimedialen Kursen, Simulationstools, virtuellen Laboren und Augmented Reality verbessert das Lernerlebnis, berücksichtigt unterschiedliche Lernstile und erleichtert das Verständnis komplexer Konzepte.

Durch Anpassung der Schulungen an Lernende mit unterschiedlichen Hintergründen und beruflichen Zielen wird sichergestellt, dass alle Lernenden eine auf ihre Bedürfnisse und Ziele zugeschnittene Ausbildung erhalten.

Die Verfolgung des Lernfortschritts der Teilnehmer, das Erkennen von Verbesserungsbereichen sowie die Bereitstellung von Anleitung und Unterstützung während des gesamten Schulungsprogramms gewährleisten, dass die Schulungsteilnehmer ihre Fähigkeiten kontinuierlich weiterentwickeln.

Die Förderung von Soft Skills wie Kommunikation, Teamarbeit und Anpassungsfähigkeit ist entscheidend für den Erfolg in der kollaborativen und schnelllebigen Umgebung der Halbleiterfertigung.