Formación para fabricación de semiconductores

Todo empieza con lingotes de silicio de gran pureza, que suelen producirse en una planta de fabricación especializada mediante un proceso denominado método Czochralski y se venden a fundiciones y fábricas de semiconductores.

Durante la fabricación de las obleas, los lingotes de silicio se cortan en finas obleas circulares. A continuación, estas obleas se pulen para crear superficies lisas. Para cortar los lingotes se utilizan máquinas denominadas cortadoras con sierra, mientras que para pulir las obleas se emplean lapeadoras y pulidoras.

Se hace crecer una fina capa de dióxido de silicio en la superficie de las obleas de silicio. Esta capa actúa como aislamiento y ayuda en los pasos posteriores del proceso de fabricación. Para ello se utilizan hornos especiales denominados hornos de oxidación.

Este paso define la disposición del circuito en la oblea. Se aplica a la oblea un material sensible a la luz denominado fotorresistencia y, a continuación, se proyecta sobre ella un patrón mediante una máquina especial denominada fotolitografía paso a paso. Esta máquina funciona como un proyector pero con un control muy preciso. Se utilizan sistemas de alineación de máscaras para garantizar la precisión y la coherencia.

Mediante el grabado selectivo, se elimina material de la superficie de la oblea basándose en la fotorresistencia modelada. En este paso se definen las características del aparato semiconductor. Existen distintos tipos de máquinas de grabado: las de grabado en húmedo, que utilizan soluciones químicas, y las de grabado en seco, que emplean gases o plasma.

Los procesos de fotolitografía y grabado se repiten en cada una de las capas de la oblea.

La deposición añade finas capas de materiales sobre la superficie de la oblea para construir los circuitos y crear las características del producto deseadas. Los sistemas Chemical vapor deposition (CVD) introducen gases precursores en una cámara de reacción, donde reaccionan para formar un film fino. Los sistemas Physical vapor deposition (PVD) utilizan métodos físicos (como la evaporación o la pulverización catódica) para depositar material en la superficie de la oblea.

En la fase de dopaje, se introducen impurezas en el material semiconductor para modificar sus propiedades eléctricas. La implantación de iones es un método de dopaje habitual. Los implantadores iónicos aceleran los iones en la superficie de la oblea para implantar dopantes a profundidades específicas. Los hornos de difusión calientan la oblea en presencia de gases dopantes para difundir los dopantes en el material semiconductor.

También llamada metalización, este paso consiste en añadir capas de metal a la oblea para conectar los distintos componentes del circuito y proporcionar una vía por la que circule la corriente. Para ello se utilizan sistemas de deposición similares a los empleados en la deposición. Una vez depositado, el metal se modela mediante fotolitografía para crear los hilos.

Los componentes electrónicos como condensadores, transistores, resistencias y diodos pueden integrarse en aparatos semiconductores durante el proceso de fabricación en varias etapas, dependiendo del tipo de aparato semiconductor que se esté fabricando.

Los aparatos semiconductores se separan, embalan y prueban para garantizar su funcionalidad y seguridad. Las fijadoras de matrices unen chips individuales a sustratos de embalaje, las fijadoras de hilos conectan chips a cables de embalaje, los aparatos de encapsulación sellan chips en materiales protectores y los sistemas de test realizan pruebas eléctricas para verificar el funcionamiento de los aparatos. Las máquinas de clasificación eléctrica de chips (EDS) se utilizan para testar las características eléctricas de cada chip y clasificarlos en función de sus prestaciones.

Un programa de incorporación para nuevos empleados en la industria de fabricación de semiconductores debe cubrir temas esenciales para proporcionar una comprensión completa de los fundamentos y los procesos de fabricación de semiconductores.

Una Introducción a la física de los semiconductores que incluye conceptos como la teoría de bandas, el dopado y la movilidad de los transportistas, y una revisión de la cadena de valor de la industria de los semiconductores sientan las bases. A continuación, un sumario de materiales semiconductores, estructuras de aparatos y características de los aparatos ayuda a los nuevos empleados a comprender lo básico.

 Además de eso, un análisis de los procesos de fabricación de semiconductores, como la fotolitografía, el grabado, la deposition y el embalaje, permite comprender mejor los entresijos de la producción. Introducción al funcionamiento y mantenimiento del equipo de fabricación, así como a las herramientas de metrología, para familiarizarse con las herramientas esenciales del oficio.

Protocolo y normas de seguridad para salas blancas son cruciales para garantizar el control de la contaminación y la seguridad en el lugar de trabajo. Los principios de control de calidad y las técnicas de análisis de datos completan el programa, haciendo hincapié en la importancia de la calidad de los aparatos y la optimización de los procesos.

Al centrarse en estos temas principales, los nuevos empleados adquieren una sólida comprensión de la fabricación de semiconductores, listos para alcanzar el éxito en la industria.

La fabricación de semiconductores se caracteriza por la digitalización, ya que constituye la base de la Industria 4.0 como el Internet Industrial de las Cosas (IIoT),  sistemas ciberfísicos, fabricación aditiva, realidad aumentada (RA), realidad virtual (RV), inteligencia artificial (IA), análisis de big data y otras innovaciones avanzadas. En este contexto, la digitalización de las tecnologías de automatización de fábricas optimiza los procesos de producción y mejora la eficacia operativa

La mecatrónica, un campo multidisciplinar que combina la ingeniería mecánica, eléctrica e informática, es esencial para comprender y mantener la compleja maquinaria y los sistemas robóticos utilizados en la producción de semiconductores. Además, a medida que las instalaciones de fabricación avanzan hacia líneas de producción interconectadas, los operadores necesitan conocimientos especializados en   tecnologías de conexión en red para garantizar una comunicación y coordinación perfectas entre equipos y sistemas. Las plataformas MES  desempeñan un papel fundamental en la optimización de los procesos de producción, la programación y la asignación de recursos, lo que exige que los operadores dominen su funcionamiento y utilización.

Además, con una atención cada vez mayor a la  eficiencia energética, los empleados deben conocer los principios de gestión energética, especialmente en áreas como los sistemas eléctricos y el uso de aire comprimido, para minimizar el consumo de energía y reducir el impacto medioambiental de las instalaciones de fabricación de semiconductores.

Los robots, tanto industriales como móviles, se han convertido en componentes integrales del entorno fabril moderno.

Robots industriales manipulan obleas de silicio durante todo el proceso de fabricación. Se utilizan en operaciones de montaje y embalaje de semiconductores para coger y colocar componentes con gran precisión. Los robots industriales ayudan en los procesos de grabado y deposition posicionando con precisión los sustratos y las máscaras en las cámaras de proceso. Se pueden encontrar en metrología e inspección, e incluso en mantenimiento de salas blancas. Dependiendo de la tarea, se utilizan diversos robots, como articulados, cartesianos, colaborativos (cobots) y otros.

Los robots autónomos o semiautónomos  móviles  también se utilizan para la manipulación de materiales (transporte de materiales, componentes o productos acabados entre distintas zonas de la planta de fabricación), la gestión de inventarios (seguimiento y localización de obleas, componentes o aparatos semiconductores) y tareas de inspección.

Los PLC se utilizan ampliamente en los sistemas de fabricación de semiconductores para controlar y coordinar diversos procesos. El dominio de los PLC es esencial para las personas que trabajan en la automatización industrial, la fabricación y el control de procesos, ya que les permite programar, utilizar y mantener los PLC de forma eficaz para optimizar los procesos de producción y garantizar el buen funcionamiento de la maquinaria industrial.

La comprensión de   los componentes de hardware del PLC   es esencial para la selección, instalación, configuración y localización de averías de los sistemas PLC. El dominio de los lenguajes de programación de PLC es vital para desarrollar, testar y depurar programas de PLC utilizando software de programación profesional. Además, es fundamental integrar características del producto en los programas de PLC, como circuitos de parada de emergencia, bloqueos y relés de seguridad.

Dado que los PLC suelen estar integrados en una red industrial, los técnicos también deben saber cómo interactúan los PLC con los distintos equipos y sistemas de fabricación en las plantas de semiconductores. Esto incluye la comprensión de tecnologías de sensores, tipos de actuadores, protocolos de comunicación y mecanismos de intercambio de datos utilizados para integrar PLC con equipos como robots, cámaras de vacío, sistemas de suministro de productos químicos y herramientas de metrología. La configuración de las interfaces de comunicación de los PLC, la configuración de las conexiones de red y la localización de averías en las comunicaciones requieren un sólido conocimiento de los protocolos de comunicación industrial.

Además, los empleados deben ser capaces de recoger, procesar y analizar los datos generados por los autómatas programables para supervisar el rendimiento del proceso, identificar desviaciones y optimizar los procesos de producción.

Los sistemas eléctricos desempeñan un papel vital en la alimentación, el control y la supervisión de los equipos y procesos de fabricación de semiconductores.

Todos los técnicos necesitan sólidos conocimientos de los fundamentos básicos de la electrotécnica y la electrónica, como los principios eléctricos, incluidos el voltaje, la corriente, la resistencia, la potencia y los circuitos. La formación sobre prácticas de seguridad eléctrica, incluidos los procedimientos de bloqueo y señalización, el uso adecuado de los equipos de protección individual (EPI) y las precauciones para trabajar con equipos de alta tensión, es primordial.

Los motores eléctricos se utilizan ampliamente en máquinas y sistemas de fabricación de semiconductores, ya que son eficaces, precisos y fiables. Su capacidad para ofrecer desempeño constante, unida a requisitos de mantenimiento reducidos, hacen de los motores eléctricos la opción preferida para alimentar aparatos críticos como brazos robóticos, cinta transportadoras, bombas de vacío y sistemas de manipulación de obleas en plantas de fabricación de semiconductores.

Los controladores del motor eléctrico proporcionan eficiencia, precisión, fiabilidad y seguridad en todos los procesos de producción. Su velocidad, par, dirección y posición pueden regularse utilizando tecnologías básicas como relés, accionamientos paso a paso y reguladores de servoaccionamiento, variadores de frecuencia, autómatas programables. etc.

Los conocimientos de electrónica son indispensables para los trabajadores de la fabricación de semiconductores, ya que les permiten comprender los principios subyacentes de la tecnología de semiconductores, optimizar los procesos de fabricación, manejar equipos sofisticados y solucionar problemas e incluso repararplacas de circuitos. El dominio de la teoría de circuitos, la electrónica de potencia, la electrónica analógica y la electrónica digital es especialmente importante en la fabricación de semiconductores, donde se utilizan componentes y sistemas electrónicos complejos en los equipos de producción.

Los componentes neumáticos y electroneumáticos se utilizan habitualmente en los equipos de fabricación de semiconductores para diversos fines, como el accionamiento, el control y la manipulación. La técnica de vacío garantiza la alineación y estabilidad de las obleas durante los procesos de fotolitografía y grabado. Las bombas y válvulas neumáticas garantizan un suministro preciso y constante de gases y productos químicos.

Dada la necesidad de alta precisión, automatización compleja y optimización basada en datos en la fabricación de semiconductores, la neumática digital - componentes neumáticos equipados con tecnología de control digital - ofrece mayor funcionalidad, control preciso y capacidades de comunicación.

Estas tecnologías permiten soluciones rentables y de alto rendimiento con tiempos de respuesta rápidos, instalación y mantenimiento sencillos, limpieza y adaptabilidad. Además, los sistemas neumáticos no producen chispas y son intrínsecamente seguros, por lo que son adecuados para su uso en entornos potencialmente explosivos, como los que suelen encontrarse en las instalaciones de fabricación de semiconductores.

Los sensores desempeñan un papel fundamental en la supervisión, el control y la optimización de diversos procesos, equipos y entornos para garantizar la producción de semiconductores de alta calidad. Los sensores monitorizan temperatura, presión, corriente, nivel, propiedades ópticas, vibración, posición, entre otros, proporcionando retroalimentación en tiempo real sobre las condiciones del proceso. Esto permite a los operadores mantener parámetros óptimos y detectar rápidamente cualquier desviación que pueda afectar a la calidad del aparato.

En los últimos años, los sensores inteligentes y su perfecta integración en los sistemas de control industrial han elevado la automatización a nuevos niveles, ofreciendo una mayor eficiencia, precisión y seguridad.

Aunque las fábricas de semiconductores son entornos muy automatizados y de alta tecnología, se requieren conocimientos básicos para manejar máquinas y sistemas:

Las bombas y los sistemas de tubos son componentes integrales de las instalaciones de fabricación de semiconductores. Facilitan diversos procesos y operaciones, como el suministro de productos químicos y gas, la refrigeración, la generación de vacío y la gestión de residuos.

Los sistemas de accionamiento mecánico se basan en componentes (por ejemplo, correas, cadenas, engranajes) que transmiten potencia y movimiento de los motores a las partes móviles dentro de la maquinaria de procesamiento de semiconductores.

El cableado eléctrico industrial desempeña un papel fundamental en el suministro de energía y conectividad a diversas máquinas y sistemas para que puedan funcionar de forma fiable y eficiente.

La metrología dimensional básica y el uso adecuado de las herramientas manuales comunes son esenciales para realizar con eficacia las tareas de mantenimiento y reparación de los equipos y la maquinaria de producción.

En la fabricación de semiconductores, los sistemas de calefacción, ventilación, aire acondicionado (HVAC) y refrigeración son esenciales para mantener las condiciones ambientales precisas necesarias para una producción de alta calidad. Estos sistemas controlan la temperatura, la humedad y la calidad del aire, todos ellos esenciales para el proceso de fabricación.

Los técnicos deben dominar el uso de las herramientas de seguimiento de estas métricas medioambientales. Su aptitud técnica debe extenderse a la comprensión de los sistemas de control de HVAC y de cómo estos sistemas se integran con otros sistemas y procesos de las instalaciones. También deben comprender conceptos básicos de refrigeración, como los fundamentos de la termodinámica y el ciclo de refrigeración.

La fabricación de semiconductores requiere una variedad de instrumentación de proceso y de control para garantizar el control preciso, la supervisión y la optimización de las variables del proceso, como la corriente, el nivel, la presión, la temperatura, el pH y la conductividad. Ejemplos comunes incluyen medidores de corriente, sensores de pH y controladores de presión. Los emisores, válvulas y otros aparatos de campo también son componentes cruciales dentro de estos bucles de proceso.

El control supervisor y la adquisición de datos (SCADA) y los sistemas de control distribuido (DCS) son ejemplos de sistemas de control automatizado que ajustan los parámetros de los procesos basándose en la retroalimentación de los sensores para mantener las condiciones deseadas y lograr una calidad constante de los semiconductores. Estos sistemas regulan las corrientes de gas, las dosis de productos químicos y los equipos con gran precisión y repetibilidad. Los sistemas SCADA suelen supervisar y visualizar los datos de los procesos en tiempo real, mientras que los sistemas DCS ofrecen un control y una coordinación centralizados de los equipos y las operaciones de los procesos.

La fabricación de semiconductores depende en gran medida de agua ultrapura con un mínimo de contaminantes. Los sistemas de agua ultrapura (UPW) utilizan métodos avanzados de purificación como la ósmosis inversa, la desionización y la filtración para cumplir las estrictas normas de calidad. Esta agua purificada forma parte integral de diversos procesos de fabricación, como la limpieza de obleas, la mezcla de productos químicos y el aclarado. Mantener la calidad y cantidad del agua de proceso es primordial para que los procedimientos de producción sean constantes y fiables.

Además, el agua también es un agente refrigerante crucial, que protege el equipo contra el sobrecalentamiento y garantiza un rendimiento óptimo. Dado que la fabricación de semiconductores genera aguas residuales que contienen diversas sustancias químicas y contaminantes, es esencial disponer de procesos de tratamiento eficaces antes de verter, reciclar o reutilizar el agua. Esto minimiza el consumo de agua y el impacto medioambiental, y garantiza que las prácticas de fabricación sean sostenibles.

La excelencia operativa y la calidad del producto son pilares fundamentales de la fabricación de semiconductores, que requieren un conocimiento profundo de varios principios para garantizar la eficiencia, la seguridad y la excelencia del aparato.

Al conocer los conceptos de producción limpia, incluida la reducción de residuos, la mejora continua y el mapeo del flujo de valor, los empleados pueden optimizar los procesos y erradicar las ineficiencias en la fabricación de semiconductores.

El dominio de las técnicas de control estadístico de procesos (SPC) ayuda a los operadores a supervisar y gestionar los procesos de fabricación, manteniendo la coherencia e identificando rápidamente las desviaciones que podrían comprometer la calidad del producto.

El conocimiento de los principios del mantenimiento productivo total (TPM) es indispensable para garantizar la seguridad en el equipo, minimizar el tiempo de inactividad y maximizar la eficacia global del equipo (OEE) en las instalaciones de fabricación de semiconductores.

Además, el dominio de temas adicionales como Poka Yugo, 5S organización del puesto de trabajo, análisis y mapeo del flujo de valor y métodos Seis Sigma enriquece aún más las habilidades de los empleados y mejora las operaciones de fabricación.

El suministro de equipos similares a los de las fábricas de semiconductores permite a los estudiantes familiarizarse con la maquinaria y la tecnología estándar del sector.

La oferta de ejercicios prácticos, experimentos y proyectos que simulan situaciones reales de fabricación permite a los estudiantes adquirir una valiosa experiencia práctica.

La utilización de cursos multimedia, herramientas de simulación, laboratorios virtuales y aplicaciones de realidad aumentada mejora la experiencia de aprendizaje, se adapta a diferentes estilos de aprendizaje y facilita la comprensión de conceptos complejos.

Adaptar la formación a estudiantes de orígenes diversos y con distintas aspiraciones profesionales garantiza que cada persona reciba una educación a medida, adecuada a sus necesidades y objetivos.

El seguimiento del progreso de los estudiantes, la identificación de las áreas de mejora y la orientación y el soporte a lo largo del programa de formación garantizan que los estudiantes desarrollen continuamente sus habilidades.

Hacer hincapié en el desarrollo de aptitudes interpersonales como la comunicación, el trabajo en equipo y la adaptabilidad es esencial para tener éxito en el entorno de colaboración y ritmo acelerado de la fabricación de semiconductores.