Soluções de formação na produção de semicondutores

Tudo começa com lingotes de silício de alta pureza, normalmente produzidos em uma fábrica especializada mediante um processo denominado método Czochralski e vendidos para as fabs e foundries de semicondutores.

Durante a fabricação de wafers, os lingotes de silício são cortados em wafers finos e circulares. Em seguida, esses wafers são polidos para criar superfícies lisas. Máquinas de corte são utilizadas para fatiar os lingotes em wafers, os quais são polidos por máquinas de lapidação e polimento.

Uma fina camada de dióxido de silício é formada na superfície dos wafers de silício. Essa camada atua como isolamento e ajuda nas etapas posteriores do processo de fabricação. Isso é feito em fornos especiais chamados fornos de oxidação.

Essa etapa define o layout do circuito no wafer. Um material sensível à luz, chamado fotorresiste, é aplicado ao wafer e, em seguida, uma máquina especial denominada stepper de fotolitografia projeta um padrão sobre a superfície do wafer. Essa máquina funciona como um projetor, mas com um controle extremamente preciso. Os sistemas de alinhamento de máscara são usados para garantir a precisão e a consistência.

Com a gravação seletiva, o material é removido da superfície do wafer com base no padrão do fotorresiste. Essa etapa define os recursos do produto semicondutor. Há diferentes tipos de máquinas de gravação: gravadores úmidos que utilizam soluções químicas ou gravadores secos que usam gases ou plasma.

Os processos de fotolitografia e gravação são repetidos em cada uma das camadas do wafer.

A deposition (deposição) adiciona camadas finas de materiais à superfície do wafer para formar os circuitos e criar os recursos desejados. Os sistemas de Chemical Vapor Deposition (CVD) introduzem gases precursores em uma câmara de reação, onde eles reagem para formar uma película fina. Os sistemas de Physical Vapor Deposition (PVD) usam métodos físicos (como evaporação ou pulverização catódica) para depositar material na superfície do wafer.

Na etapa de dopagem, impurezas são introduzidas no material semicondutor para modificar suas propriedades elétricas. A implantação de íons é um método comum de dopagem. Os implantadores de íons aceleram os íons na superfície do wafer para implantar dopantes em profundidades específicas. Os fornos de difusão aquecem o wafer na presença de gases dopantes para difundir os dopantes no material semicondutor.

Essa etapa envolve a adição de camadas de metal ao wafer para conectar os diferentes componentes do circuito e fornecer um caminho para o fluxo de corrente. Isso é feito mediante sistemas de deposition, semelhantes aos utilizados na etapa de deposition. Após sua deposição, o metal é modelado mediante fotolitografia para criar os fios.

Componentes eletrônicos como capacitores, transistores, resistores e diodos podem ser integrados aos dispositivos semicondutores durante o processo de fabricação em várias etapas, dependendo do tipo de dispositivo semicondutor que está sendo fabricado.

Os dispositivos semicondutores são separados, embalados e testados para garantir a funcionalidade e a confiabilidade. Os coladores de matriz fixam chips individuais aos substratos de embalagem, os coladores de fio conectam os chips aos cabos da embalagem, o equipamento de encapsulamento isolam os chips com materiais protetores e os sistemas de teste realizam testes elétricos para verificar o desempenho do produto. As máquinas de classificação elétrica da matriz (EDS) são usadas para testar as características elétricas de cada chip e classificá-los com base em seu desempenho.

Um programa de integração dos recém-contratados na indústria de semicondutores deve cobrir tópicos essenciais para fornecer uma compreensão abrangente dos fundamentos e dos processos de fabricação de semicondutores.

Uma introdução à física dos semicondutores, incluindo conceitos como teoria de bandas, dopagem e mobilidade de portadores, e uma revisão da cadeia de valor da indústria de semicondutores preparam o terreno. Além disso, uma visão geral dos materiais semicondutores, das estruturas dos dispositivos e das características dos produtos ajuda os recém-contratados a compreender o básico.

A exploração dos processos de fabricação de semicondutores, incluindo fotolitografia, gravação, deposition e embalagem, também fornece uma visão dos intrincados detalhes da produção. Introdução à operação e à manutenção de equipamentos de manufatura, bem como ferramentas de metrologia, para familiarizar-se com as ferramentas essenciais do ofício.

Protocolos de sala limpa e  normas de segurança são cruciais para garantir o controle da contaminação e a segurança no posto de trabalho. Os princípios de controle de qualidade e as técnicas de análise de dados completam o programa, enfatizando a importância da qualidade do produto e da otimização do processo.

Ao se concentrar nesses tópicos principais, os novos contratados adquirem uma sólida compreensão da fabricação de semicondutores e estão preparados para obter sucesso nessa indústria.

A fabricação de semicondutores é caracterizada pela digitalização, pois forma a base para as tecnologias da Indústria 4.0, como a Internet Industrial das Coisas (IIoT),  sistemas ciberfísicos, manufatura aditiva, realidade aumentada (AR), realidade virtual (VR), inteligência artificial (IA), análise de big data e outras inovações avançadas. Nesse contexto, a digitalização das tecnologias de automação de fábrica otimiza os processos de produção e aumenta a eficiência operacional

A Mecatrônica, um campo multidisciplinar que combina engenharia mecânica, elétrica e de computadores, é essencial para compreender e manter o maquinário complexo e os sistemas robóticos utilizados na produção de semicondutores. Além disso, à medida que as fábricas avançam em direção a linhas de produção interconectadas, os operadores precisam de conhecimento especializado em tecnologias de rede para garantir a comunicação e a coordenação perfeitas entre equipamentos e sistemas. As plataformas MES desempenham um papel fundamental na otimização dos processos de produção, programação e alocação de recursos, exigindo que os operadores sejam proficientes em sua operação e utilização.

Além disso, com um foco crescente na  eficiência energética, os funcionários devem ter conhecimento dos princípios de gestão de energia, especialmente em áreas como sistemas elétricos e uso de ar comprimido, para minimizar o consumo de energia e reduzir o impacto ambiental das instalações de fabricação de semicondutores.

Os robôs, tanto industriais quanto móveis, tornaram-se componentes integrais do ambiente fabril moderno.

Robôs industriais manuseiam wafers de silício durante todo o processo de fabricação. Eles são empregados nas operações de montagem e embalagem de semicondutores para selecionar e posicionar componentes com alta precisão. Os robôs industriais auxiliam nos processos de gravação e deposition, posicionando com precisão os substratos e as máscaras nas câmaras de processo. Também são utilizados na metrologia, na inspeção e até mesmo na manutenção de salas limpas. Dependendo da tarefa são utilizados robôs diferentes, como os articulados, cartesianos, colaborativos (cobots) e outros.

 Robôs móveis autônomos ou semiautônomos também são usados para manuseio de materiais (transporte de materiais, componentes ou produtos acabados entre diferentes áreas da fábrica), gerenciamento de inventário (rastreamento e localização de wafers, componentes ou ferramentas de semicondutores) e tarefas de inspeção.

Os PLCs são amplamente utilizados em sistemas de fabricação de semicondutores para controlar e coordenar vários processos. A proficiência em habilidades de PLC é essencial para pessoas que trabalham com automação, fabricação e controle de processos industriais, para que possam programar, operar e manter PLCs na prática, otimizando os processos de produção e garantindo o bom funcionamento das máquinas industriais.

Compreender os componentes de hardware do PLC é essencial para a seleção, instalação, configuração e solução de problemas dos sistemas PLC. A proficiência em linguagens de programação de PLC é fundamental para desenvolver, testar e depurar programas de PLC mediante o uso de software de programação profissional. Além disso, é fundamental integrar recursos de segurança aos programas PLC, como circuitos de parada de emergência, travas e relés de segurança.

Como os PLCs são frequentemente integrados em uma rede industrial, os técnicos também precisam saber como os PLCs fazem interface com vários equipamentos e sistemas de fabricação em fábricas de semicondutores. Isso inclui a compreensão das tecnologias de sensores, tipos de atuadores, protocolos de comunicação e mecanismos de troca de dados utilizados para integrar PLCs a equipamentos como robôs, câmaras de vácuo, sistemas de fornecimento de produtos químicos e ferramentas de metrologia. A configuração das interfaces de comunicação do PLC, a configuração das conexões de rede e a solução de problemas de comunicação exigem um sólido conhecimento dos protocolos de comunicação industrial.

Além disso, os funcionários devem ser capazes de coletar, processar e analisar dados gerados pelos PLCs para monitorar o desempenho do processo, identificar desvios e otimizar os processos de produção.

Os sistemas elétricos desempenham um papel fundamental na alimentação, no controle e no monitoramento dos equipamentos e processos de fabricação de semicondutores.

Todos os técnicos precisam de uma sólida compreensão dos fundamentos da engenharia elétrica e eletrônica, como princípios elétricos, incluindo tensão, corrente, resistência, potência e circuitos. É fundamental a formação em práticas de segurança elétrica, incluindo procedimentos de bloqueio/etiquetagem, uso adequado de equipamentos de proteção individual (EPI) e precauções para trabalhar com equipamentos de alta tensão.

Por serem eficientes, precisos e confiáveis, os motores elétricos são amplamente usados em máquinas e sistemas na fabricação de semicondutores. Sua capacidade de oferecer um desempenho consistente, aliada a baixos requisitos de manutenção, faz dos motores elétricos a opção preferida para alimentar produtos essenciais, como braços robóticos, sistemas transportadores, bombas de vácuo e sistemas de manipulação de wafers em fábricas de semicondutores.

Os controladores de motores elétricos proporcionam eficiência, precisão, confiabilidade e segurança nos processos de produção. Sua velocidade, torque, direção e posição podem ser regulados com o uso de tecnologias básicas, como relés, reguladores de passo e servoacionamentos, atuadores de frequência variável e PLCs. etc.

As habilidades em eletrônica são indispensáveis para a força de trabalho na fabricação de semicondutores, pois permitem que eles compreendam os princípios subjacentes da tecnologia de semicondutores, otimizem os processos de fabricação, operem equipamentos sofisticados, solucionem problemas e reparem até mesmo placas de circuito. A proficiência em teoria de circuitos, eletrônica de potência, eletrônica analógica e eletrônica digital é particularmente relevante na fabricação de semicondutores, cujos equipamentos de produção são constituídos por complexos componentes e sistemas eletrônicos.

Componentes pneumáticos e eletropneumáticos são comumente usados em equipamentos de fabricação de semicondutores para várias finalidades, incluindo atuação, controle e manipulação. A tecnologia de vácuo garante que os wafers estejam alinhados e estáveis durante os processos de fotolitografia e gravação. As bombas e válvulas pneumáticas garantem que os gases e produtos químicos sejam fornecidos de forma precisa e consistente.

Dada a necessidade de alta precisão, automação complexa e otimização orientada por dados na fabricação de semicondutores, a pneumática digital - componentes pneumáticos equipados com tecnologia de controle digital - oferece funções aprimoradas, controle preciso e recursos de comunicação.

Essas tecnologias permitem soluções econômicas e de alto desempenho com tempos de resposta rápidos, instalação e manutenção simples, limpeza e adaptabilidade. Além disso, os sistemas pneumáticos não produzem faíscas e são intrinsecamente seguros, o que os torna adequados para uso em ambientes perigosos, comumente encontrados em instalações de fabricação de semicondutores.

Os sensores desempenham um papel fundamental no monitoramento, controle e otimização de vários processos, equipamentos e ambientes para garantir a produção de semicondutores de alta qualidade. Os sensores monitoram temperatura, pressão, fluxo, nível, propriedades ópticas, vibração, posição, entre outros, fornecendo feedback em tempo real sobre as condições do processo. Isso permite que os operadores mantenham os parâmetros ideais e detectem prontamente quaisquer desvios que possam afetar a qualidade do produto.

Nos últimos anos, os sensores inteligentes e sua perfeita integração aos sistemas de comando industrial elevaram a tecnologia de automação a novos níveis, oferecendo maior eficiência, maior precisão e confiabilidade.

Embora as fábricas de semicondutores sejam ambientes altamente automatizados e de alta tecnologia, são necessárias habilidades básicas para operar máquinas e sistemas:

Bombas e sistemas de tubulação são componentes integrais das instalações de fabricação de semicondutores. Eles facilitam vários processos e operações, como o fornecimento de produtos químicos e gás, resfriamento, gerador de vácuo e gerenciamento de resíduos.

Os sistemas de acionamento mecânico dependem de componentes (por exemplo, cintas, correntes, engrenagens) que transmitem potência e movimento dos motores para as peças móveis dentro das máquinas de processamento de semicondutores.

A fiação elétrica industrial desempenha um papel fundamental no fornecimento de energia e conectividade a várias máquinas e sistemas para que possam operar de forma confiável e eficiente.

A metrologia dimensional básica e o uso adequado de ferramentas manuais comuns são essenciais para tarefas de manutenção e reparo eficientes em equipamentos e máquinas de produção.

Na fabricação de semicondutores, os sistemas de aquecimento, ventilação, ar condicionado (HVAC) e refrigeração são essenciais para manter as condições ambientais precisas necessárias para uma produção de alta qualidade. Esses sistemas controlam a temperatura, a umidade e a qualidade do ar, essenciais para o processo de fabricação.

Os técnicos devem ser proficientes no uso de ferramentas de monitoramento para rastrear essas métricas ambientais. Sua aptidão técnica deve se estender à compreensão dos sistemas de comando de HVAC e de como esses sistemas se integram a outros sistemas e processos da instalação. Eles também devem compreender os conceitos básicos de refrigeração, como os fundamentos da termodinâmica e o ciclo de refrigeração.

A fabricação de semicondutores exige uma instrumentação variada de processo e de controle para garantir o controle preciso, o monitoramento e a otimização das variáveis do processo, como fluxo, nível, pressão, temperatura, pH e condutividade. Exemplos comuns incluem medidores de fluxo, sensores de pH e controladores de pressão. Os emissores, as válvulas e outros produtos de campo também são componentes cruciais nesses circuitos de processo.

Os Sistemas de Controle de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) e os Sistemas de Controle Distribuído (DCS) são exemplos de sistemas de automação que ajustam os parâmetros de processo com base no feedback de sensores para manter as condições desejadas e obter uma qualidade consistente de semicondutores. Esses sistemas regulam as vazões de gás, as dosagens de produtos químicos e os ajustes de equipamentos com alta precisão e repetibilidade. Os sistemas SCADA normalmente monitoram e visualizam os dados do processo em tempo real, enquanto os sistemas DCS oferecem controle e coordenação centralizados dos equipamentos e das operações do processo.

A fabricação de semicondutores depende extremamente de água ultrapura com o mínimo de contaminantes. Os sistemas de água ultrapura (UPW) usam métodos avançados de purificação, como osmose reversa, deionização e filtragem, para atender aos rigorosos padrões de qualidade. Essa água purificada é parte integrante de vários processos de fabricação, incluindo limpeza de wafers, mistura de produtos químicos e enxágue. Manter a qualidade e a quantidade da água de processo é fundamental para procedimentos de produção consistentes e confiáveis.

Além disso, a água também é um líquido de arrefecimento essencial, protegendo o equipamento contra superaquecimento e garantindo o desempenho ideal. Como a fabricação de semicondutores gera águas residuárias que contêm diversos produtos químicos e contaminantes, processos de tratamento eficazes são essenciais antes que a água seja descartada, reciclada ou reutilizada. Isso minimiza o consumo de água e o impacto ambiental, além de garantir que as práticas de fabricação sejam sustentáveis.

A excelência operacional e a qualidade do produto são pilares essenciais da fabricação de semicondutores, exigindo um entendimento profundo de vários princípios para garantir a eficiência, a confiabilidade e a excelência do produto.

Ao compreender os conceitos de produção enxuta, incluindo redução de desperdício, melhoria contínua e mapeamento do fluxo de valor, os funcionários podem otimizar os processos e erradicar as ineficiências em toda a fabricação de semicondutores.

A proficiência em técnicas de controle estatístico de processos (SPC) ajuda os operadores a monitorar e gerenciar os processos de fabricação, mantendo a consistência e identificando rapidamente os desvios que podem comprometer a qualidade do produto.

O conhecimento dos princípios da manutenção produtiva total (TPM) é indispensável para garantir a confiabilidade do equipamento, minimizar o tempo de parada e maximizar a eficácia geral do equipamento (OEE) nas instalações de fabricação de semicondutores.

Além disso, a proficiência em outros temas, como Poka Yoke, 5S, organização de estações de trabalho, análise e mapeamento de fluxo de valor e métodos Six Sigma, enriquece ainda mais os conjuntos de habilidades dos funcionários e aprimora as operações de fabricação.

O fornecimento de equipamentos que espelham o ambiente encontrado nas fábricas de semicondutores garante que os alunos possam se familiarizar com o maquinário e a tecnologia de padrão industrial.

A oferta de exercícios práticos, experimentos e projetos que simulam cenários reais de fabricação permite que os alunos adquiram uma valiosa experiência prática.

A utilização de cursos multimídia, ferramentas de simulação, laboratórios virtuais e aplicações de realidade aumentada aprimora a experiência de aprendizagem, atende a diferentes estilos de aprendizagem e facilita a compreensão de conceitos complexos.

A adaptação dos cursos de formação aos alunos com diversas origens e aspirações de carreira garante que cada indivíduo receba uma educação personalizada, adequada às suas necessidades e objetivos.

Acompanhar o progresso dos alunos, identificar áreas de melhoria e fornecer orientação e suporte durante todo o programa de formação garante que os alunos estejam continuamente desenvolvendo suas habilidades.

Enfatizar o desenvolvimento de habilidades interpessoais, como comunicação, trabalho em equipe e capacidade de adaptação, é essencial para o sucesso no ambiente colaborativo e acelerado da fabricação de semicondutores.