Обучения за производството на полупроводници

Всичко започва от силициеви метални блокове с висока степен на чистота, които обикновено се произвеждат в специализиран производствен завод чрез процес, наречен метода на Чохралски, и се продават на заводи за производство на микрочипове или заводи за полупроводникови елементи.

При производството на пластини силициевите метални блокове се нарязват на тънки кръгли пластини. След това тези пластини се полират, за да се получат гладки повърхности. Машините, наречени машини за рязане на пластини, се използват за нарязване на металните блокове, а машините за лепинговане и полиране –за полиране на пластините.

Върху повърхността на силициевите пластини се нанася тънък слой силициев диоксид. Този слой действа като изолация и помага в следващите етапи на производствения процес. Това се прави с помощта на специални пещи, наречени пещи за оксидиране.

Тази стъпка определя разположението на елементите и връзките между тях върху пластината. Върху пластината се нанася светлочувствителен материал, наречен фоторезист, и след това върху него се проектира шаблон с помощта на специална машина, наречена стъпков фотолитограф. Тази машина работи като проектор, но с много прецизен контрол. Използват се системи за съвместяване на маските, за да се гарантира прецизност и последователност.

Чрез селективно ецване от повърхността на пластината се отстранява материал в зависимост от отпечатания върху фоторезиста шаблон. На този етап се определят свойствата на полупроводниковия елемент. Съществуват различни видове машини за ецване: машини замокро ецване, при които се използват химически разтвори, или машини за сухо ецване, при които се използват газове или плазма.

Процесите фотолитография и ецване се повтарят върху всеки от слоевете на пластината.

Deposition върху повърхността на пластината се добавят тънки слоеве от материал, за да се изградят веригите и да се създадат желаните свойства. Системите за Chemical vapor deposition (CVD) въвеждат прекурсорни газове в реакционна камера, където те влизат в реакция и оформят тънък филм. Системите за Physical vapor deposition (PVD) използват физически методи (като изпаряване или разпрашаване) за отлагане на материал върху повърхността на пластината.

На етапа легиране в полупроводниковия материал се въвеждат примеси, за да се променят електрическите му свойства. Имплантирането на йони е често срещан метод за легиране. Установките за имплантиране на йони ускоряват йони в повърхността на пластината, за да имплантират легиращи вещества на определена дълбочина. Дифузионните пещи загряват пластината в присъствието на легиращи газове, за да се дифундират легиращите вещества в полупроводниковия материал.

Този етап, наричан още метализация, включва добавяне на метални слоеве върху пластината, за да се свържат различните компоненти на схемата и да се осигури път за протичане на тока. Това се прави с помощта на системи за Deposition, подобни на тези, използвани при отлагането. След като металът бъде нанесен, той се моделира с помощта на фотолитография, за да се създадат метализираните пътечки.

Електронни компоненти, като кондензатори, транзистори, резистори и диоди, могат да бъдат интегрирани в полупроводникови изделия по време на различните етапи от производствения процес в зависимост от вида на произвежданото полупроводниково изделие.

Полупроводниковите изделия се разделят, монтират в корпус и се тестват, за да се гарантира тяхната функционалност и надеждност. Установките за монтаж на кристали прикрепят отделните чипове към основите на корпусите, установките за създаване на проводящи пътечки свързват чиповете с изводите на корпусите, оборудването за капсулиране запечатва чиповете в защитни материали, а системите за тестване извършват електрически тестове за проверка на работата на изделията. Машините за електрическа проверка на кристалите (EDS) се използват за тестване на електрическите спецификации на всеки чип и за сортирането им въз основа на тяхната функционалност.

Програмата за въвеждане в работата на новоназначени служители в производството на полупроводници трябва да обхваща основните теми, за да осигури цялостно разбиране на основите и производствените процеси на полупроводниците.

 Въведение в полупроводниковата физика, в което са включени понятията за теория на зоните, легиране и подвижност на носителите, както и разглеждане на веригата за създаване на стойност в полупроводниковата индустрия, подготвя почвата. След това се разглеждат полупроводниковите материали, структурите и свойствата на изделията, което помага на новите служители да разберат основите.

По-нататък, разглеждането на  производствените процеси на полупроводниците, включително фотолитография, ецване, deposition и монтаж в корпус, дава представа за тънкостите на производството. Въведение в експлоатацията и сервизната поддръжка на производственото оборудване, както и на метрологични инструменти, с цел запознаване с основните инструменти на професията.

Протоколът за чиста стая истандартите за безопасност  са от решаващо значение за осигуряване на контрол върху замърсяването и безопасността на работното място. Програмата се допълва от принципите за контрол на качеството и техниките за анализ на данни, като се набляга на значението на качеството на продуктите и оптимизацията на процесите.

Като се фокусират върху тези основни теми, новите служители придобиват солидни познания за производството на полупроводници и са готови да постигнат успех в индустрията.

Производството на полупроводници се характеризира с цифровизация, тъй като тя създава основата на технологиите Industry 4.0, като например индустриален интернет на нещата (IIoT), киберфизични системи, адитивно производство, разширена реалност (AR), виртуална реалност (VR), изкуствен интелект (AI), анализ на големи обеми данни и други съвременни иновации. В този контекст цифровизацията на технологиите за автоматизация на предприятията оптимизира производствените процеси и повишава оперативната ефективност

Мехатрониката, мултидисциплинарна област, съчетаваща машинно, електрическо и компютърно инженерство, е от съществено значение за разбирането и поддръжката на сложните машини и роботизирани системи, използвани в производството на полупроводници. Освен това, тъй като производствените мощности се насочват към взаимосвързани производствени линии, операторите се нуждаят от експертни познания в областта на мрежовите технологии , за да се осигури безпроблемна комуникация и координация между оборудването и системите. MES платформите играят ключова роля в оптимизирането на производствените процеси, планирането и разпределението на ресурсите, което изисква операторите да владеят работата с тях и да ги използват.

Освен това, при все по-силното фокусиране върху  енергийната ефективност, служителите трябва да познават принципите на енергийния мениджмънт, особено в области като електрически системи и използване на сгъстен въздух, за да се сведе до минимум потреблението на енергия и да се намали въздействието върху околната среда на предприятията за производство на полупроводници.

Роботите, както индустриалните, така и мобилните, са се превърнали в неразделна част от съвременната производствена среда.

Индустриални роботи работят със силициеви пластини по време на целия производствен процес. Те се използват в операциите по сглобяване и монтиране в корпус на полупроводниците за Pick and Place на компоненти с висока точност. Индустриалните роботи подпомагат процесите на ецване и deposition, като прецизно позиционират основи и маски в технологичните камери. Те могат да се използват в метрологията и инспекцията, и дори при поддръжката на чистите стаи. В зависимост от задачата се използват различни роботи, като съчленени, декартови, колаборативни (коботи) и други.

Автономни или полуавтономни мобилни роботи се използват и за обработка на материали (транспортиране на материали, компоненти или готови продукти между различни зони на производственото предприятие), управление на материално-техническите ресурси (проследяване и локализиране на полупроводникови пластини, компоненти или инструменти) и задачи за инспекция.

PLC се използват широко в системите за производство на полупроводници за контрол и координиране на различни процеси. Уменията за работа с PLC са от съществено значение за хората, работещи в областта на промишлената автоматизация, производството и контрола на процесите, тъй като им позволяват ефективно да извършват програмиране, управление и поддръжка на PLC за оптимизиране на производствените процеси и осигуряване на безпроблемното функциониране на промишлените машини.

Разбирането на хардуерните компоненти на PLC е от съществено значение за избора, инсталирането, конфигурирането и отстраняването на неизправности в PLC системите. Високото ниво на владеене на езиците за програмиране на PLC е жизненоважно за разработването, тестването и отстраняването на грешки в програмите на PLC с помощта на професионален софтуер за програмиране. Освен това интегрирането на функциите за безопасност в програмите на PLC, като например вериги за аварийно спиране, блокиране и релета за безопасност, е от решаващо значение.

Тъй като PLC често са интегрирани в промишлена мрежа, техниците трябва да знаят и как PLC взаимодействат с различно производствено оборудване и системи в предприятията за производство на полупроводници. Това включва разбиране на сензорната техника, типовете изпълнителни механизми, комуникационните протоколи и механизмите за обмен на данни, използвани за интегриране на PLC с оборудване като роботи, вакуумни камери, системи за подаване на химически вещества и метрологични инструменти. Конфигурирането на комуникационните интерфейси на PLC, настройката на мрежовите връзки и отстраняването на проблеми с комуникацията изискват добро познаване на индустриалните комуникационни протоколи.

Освен това служителите трябва да са в състояние да събират, обработват и анализират данни , генерирани от PLC, за да следят ефективността на процесите, да установяват отклонения и да оптимизират производствените процеси.

Електрическите системи играят жизненоважна роля в захранването, контрола и мониторинга на оборудването и процесите за производство на полупроводници.

Всички техници се нуждаят от солидни познания пооснови на електротехниката и електрониката, като например принципите на електричеството, включително напрежение, ток, съпротивление, мощност и електрически вериги. От първостепенно значение е обучението по практики за електрическа безопасност, включително процедури за блокировка и маркировка, правилно използване на лични предпазни средства (ЛПС) и предпазни мерки за работа с високоволтово оборудване.

Електродвигателите се използват широко в машините и системите запроизводство на полупроводници, тъй като са ефективни, прецизни и надеждни. Способността им да осигуряват постоянна производителност, съчетана с ниски изисквания за поддръжка, прави електродвигателите предпочитан избор за захранване на важни устройства, като роботизирани манипулатори, транспортни ленти, вакуумни помпи и манипулаторни системи в заводите за производство на полупроводници.

Контролерите на електродвигателите предоставят ефективност, прецизност, надеждност и безопасност на производствените процеси. Тяхната скорост, въртящ момент, посока и позиция могат да се регулират с помощта на основни технологии, като напримеррелета, стъпкови и серво задвижвания, задвижвания с променлива честота, PLC. и т.н.

Уменията в областта на електрониката са незаменими за работещите в производството на полупроводници, тъй като им позволяват да разбират основните принципи на полупроводниковата технология, да оптимизират производствените процеси, да работят със сложно оборудване, да отстраняват и правят ремонт, дори печатни платки. Владеенето на теорията на електрическите вериги, силовата електроника, аналоговата електроника и цифровата електроника е особено важно в производството на полупроводници, където в производственото оборудване се използват сложни електронни компоненти и системи.

Пневматичните и електропневматичните компоненти се използват често в оборудването за производство на полупроводници за различни цели, включително задвижване, управление и манипулиране. Вакуумната технология гарантира, че пластините са подравнени и стабилни по време на процесите фотолитография и ецване. Пневматичните помпи и разпределители осигуряват прецизно и постоянно подаване на газове и химически вещества.

Предвид необходимостта от висока прецизност, комплексна автоматизация и оптимизация, управлявана от данни, в производството на полупроводници цифровата пневматика – пневматични компоненти, оборудвани с цифрова технология за управление –предлага подобрена функционалност, прецизен контрол и възможности за комуникация.

Тези технологии дават възможност за рентабилни, високопроизводителни решения с бързо време за реакция, лесно инсталиране и поддръжка, чистота и адаптивност. Освен това пневматичните системи не създават искри и са искробезопасни, което ги прави подходящи за използване във взривоопасни среди, често срещани в предприятията за производство на полупроводници.

Сензорните елементи играят решаваща роля в наблюдаването, контрола и оптимизацията на различни процеси, оборудване и среди, за да се гарантира производството на висококачествени полупроводници. Сензорните елементи следят температура, налягане, поток, ниво, оптични свойства, вибрации, позиция и др., като осигуряват обратна връзка в реално време за условията на процеса. Това позволява на операторите да поддържат оптимални параметри и да откриват своевременно отклонения, които биха могли да повлияят на качеството на продукта.

През последните години интелигентните сензорни елементи и тяхното безпроблемно интегриране в промишлените системи за управление издигнаха автоматизацията до нови нива, предлагайки повишена ефективност, подобрена точност и надеждност.

Въпреки че заводите за производство на полупроводници са високоавтоматизирани и високотехнологични, за работа с машините и системите са необходими основни умения:

Помпите и тръбопроводните системи са неразделна част от съоръженията за производство на полупроводници. Те улесняват различни процеси и операции, като например подаването на химически вещества и газ, охлаждането, създаването на вакуум и управлението на отпадъците.

Механичните системи за задвижване разчитат на компоненти (напр. ремъци, вериги, зъбни колела), които предават мощност и движение от моторите към движещите се части намашините за обработка на полупроводници.

Промишлените електропроводни кабели играят важна роля в осигуряването на захранване и свързаност на различни машини и системи, за да могат те да работят надеждно и ефективно.

Основната измервателна метрология и правилното използване на обичайните ръчни инструменти са от съществено значение за ефективното изпълнение на задачите по поддръжка и ремонт на производствено оборудване и машини.

В производството на полупроводници отоплителните, вентилационните, климатичните (ОВК) и хладилните системи са от съществено значение за поддържане на прецизните условия на средата, необходими за висококачествено производство. Тези системи контролират температурата, влажността и качеството на въздуха, които са от съществено значение за производствения процес.

Техниците трябва да умеят да използват инструменти за наблюдение, за да проследяват тези показатели на средата. Техническите им способности трябва да се разпростират върху разбирането на системите за управление на ОВК и начина, по който тези системи се интегрират с други системи и процеси в предприятието. Те трябва също да разбират основните концепции на охлаждането, като например основите на термодинамиката и хладилния цикъл.

Производството на полупроводници изисква разнообразни контролно-измервателни прибори и уреди за контрол на процеса, за да се осигури прецизен контрол, наблюдаване и оптимизиране на променливите на процеса, като например поток, ниво, налягане, температура, pH и проводимост. Често срещани примери са разходомери, сензори за рН и контролери за налягане. Предавателите, разпределителите и другите устройства на обектасъщо са важни компоненти в тези технологични цикли.

Автоматизираните системи за управление на технологичните процеси (SCADA) и системите за разпределено управление (DCS) са примери за автоматизирани системи за управление, които коригират параметрите на процеса въз основа на обратна връзка от сензорните елементи, за да поддържат желаните условия и да се постига постоянно качество на полупроводниците. Тези системи регулират дебита на газа, дозите на химическите вещества и настройките на оборудването с висока точност и повторяемост. Системите SCADA обикновено наблюдават и визуализират данните за процеса в реално време, докато системите DCS предлагат централизирано управление и координация на технологичното оборудване и операциите.

Производството на полупроводници разчита до голяма степен на свръхчиста вода с минимално количество замърсители. Системите за свръхчиста вода (UPW) използват усъвършенствани методи за пречистване, като напрамир обратна осмоза, дейонизация и филтриране, за да отговарят на строгите стандарти за качество. Тази пречистена вода е неразделна част от различни производствени процеси, включително почистване на пластини, смесване на химически вещества и изплакване. Поддържането на качеството и количеството на технологичната вода е от първостепенно значение за постоянните и надеждни производствени процедури.

Освен това водата е изключително важна охлаждаща течност, която предпазва оборудването от прегряване и осигурява оптимална производителност. Предвид факта, че при производството на полупроводници се генерират отпадъчни води, съдържащи различни химически вещества и замърсители, ефективните процеси на пречистване са от съществено значение, преди водата да бъде изхвърлена, рециклирана или използвана повторно. По този начин се свежда до минимум потреблението на вода и въздействието върху околната среда и се гарантира, че производствените практики са устойчиви.

Високите професионални стандарти и качеството на продуктите са критични стълбове на производството на полупроводници, което изисква задълбочено разбиране на различни принципи за осигуряване на ефективност, надеждност и отлично качество на продуктите.

Чрез разбиране на концепциите за пестеливо производство, включващо намаляване на отпадъците, непрекъснато усъвършенстване и систематизиране на потока на създаване настойност служителите могат да оптимизират процесите и да ликвидират неефективността в производството на полупроводници.

Владеенето на техники за статистически контрол на процесите (SPC) помага на операторите да наблюдават и управляват производствените процеси, като поддържат последователност и бързо установяват отклонения, които биха могли да застрашат качеството на продукта.

Познаването на принципите на техническото обслужване на производството (TPM) е необходимо за гарантиране на надеждността на оборудването, свеждане до минимум на престоите и максимално увеличаване на общата ефективност на оборудването (OEE) в предприятията за производство на полупроводници.

Освен това владеенето на допълнителни теми, като принцип на нулевата грешка, 5S организация на работни станции, анализ на потока на създаване на стойност и систематизиране, както и методи Six Sigma, допълнително обогатява набора от умения на служителите и подобрява производствените операции.

Осигуряването на оборудване, което отразява средата, съществуваща в заводите за производство на полупроводници, гарантира, че учащите могат да се запознаят с машини и технологии, отговарящи на отрасловите стандарти.

Предлагането на практически занятия, експерименти и проекти, които симулират реални производствени сценарии, позволява на учащите да придобият ценен практически опит.

Използването на мултимедийни курсове, инструменти за симулация, виртуални лаборатории и приложения с добавена реалност подобрява учебния процес, отговаря на различните стилове на учене и улеснява разбирането на сложни концепции.

Адаптирането на обучението към учащи с различен жизнен опит и с различни професионални стремежи гарантира, че всеки получава обучение, съобразено с неговите нужди и цели.

Проследяването на напредъка на учащите, определянето на областите, нуждаещи се от подобрение, и предоставянето на насоки и подкрепа по време на програмата за обучение гарантират, че учащите непрекъснато развиват своите умения.

Акцентирането върху развитието на меки умения, като комуникация, работа в екип и адаптивност, е от съществено значение за успеха в съвместната и динамична среда на производството на полупроводници.