Školení v oblasti výroby polovodičů

Vše začíná u křemíkových ingotů vysoké čistoty, které se obvykle vyrábějí ve specializovaném výrobním závodě procesem zvaným Czochralského metoda a prodávají se do sléváren a továren na výrobu polovodičů.

Při výrobě se křemíkové ingoty krájí na tenké kruhové plátky. Plátky se leští, aby vznikl hladký povrch. K řezání ingotů se používají stroje zvané řezačky plátků, k leštění se používají lapovací a lešticí stroje.

Na povrchu křemíkových plátků se vytvoří tenká vrstva oxidu křemičitého. Vrstva slouží jako izolace a pomáhá v dalších fázích výrobního procesu. Následuje zpracování v tzv. oxidačních pecích.

Fotolitografie definuje rozložení obvodů na plátku. Na plátek se nanese světlocitlivý materiál zvaný fotorezist a poté se na ni pomocí speciálního stroje zvaného fotolitografický stepper promítne vzor. Toto zařízení pracuje jako projektor, ale s velmi přesným řízením. K zajištění přesnosti a konzistence se používají systémy pro orientaci masek.

Selektivním leptáním se z povrchu plátku odstraní materiál v souladu se vzorovaným fotorezistem. Tento krok definuje vlastnosti polovodičového výrobku. Existují různé typy leptacích strojů: mokré leptací stroje, které používají chemické roztoky, nebo suché leptací stroje, které používají plyny nebo plazmu.

Procesy fotolitografie a leptání se opakují na každé vrstvě plátku.

Při depozici se na povrch plátku nanášejí tenké vrstvy materiálů, které vytvářejí obvody a požadované prvky. Systémy chemického napařování (CVD) zavádějí prekurzorové plyny do reakční komory, kde reagují a vytvoří tenoučkou vrstvičku. Systémy fyzikálního napařování (PVD) používají k nanášení materiálu na povrch plátku fyzikální metody (například napařování nebo rozprašování).

Během dopování se do polovodičového materiálu zavádějí nečistoty, které mění jeho elektrické vlastnosti. Běžnou metodou dopování je Iontová implantace. Iontové implantátory urychlují ionty do povrchu plátku, aby implantovaly dopanty do specifických hloubek. Difuzní pece ohřejí plátek v přítomnosti dopujících plynů, aby došlo k difúzi dopantů do polovodičového materiálu.

Tento krok se také nazývá metalizace a zahrnuje přidávání kovových vrstev, které spojují jednotlivé součásti obvodu a zajišťují průchod proudu. K tomu se používají depoziční systémy podobné těm, které se používají při nanášení. Po nanesení kovu se pomocí fotolitografie vytvoří spoje.

Elektronické součástky, jako jsou kondenzátory, tranzistory, rezistory a diody, mohou být do polovodičových zařízení integrovány během výrobního procesu v různých krocích v závislosti na typu vyráběného polovodičového zařízení.

Polovodičové součástky se oddělují, balí a testují, aby se ověřila jejich funkce a spolehlivost. Stroje die bonders připevňují jednotlivé čipy k obalovým substrátům, stroje wire bonders spojují čipy s vývody obalu, zapouzdřovací zařízení uzavírají čipy do ochranných materiálů a testovací systémy vykonávají elektrické testy k ověření schopností zařízení. Zařízení EDS (Electric Die Sorting) se používají k testu elektrických vlastností jednotlivých čipů a jejich třídění podle jejich výkonu.

Nástupní program pro nové zaměstnance by měl obsahovat základní témata, která poskytnou komplexní pochopení základů a procesů ve výrobě polovodičů.

Základem je  úvod do polovodičové fyziky, včetně pojmů, jako je teorie pásů, dopování a pohyblivost nosičů, a přehled hodnotového řetězce polovodičového průmyslu. Jako další je přehled polovodičových materiálů, struktur a vlastností zařízení, který pomůže novým zaměstnancům pochopit základy.

Pokračujeme prohlídkou  procesů výroby polovodičů, včetně fotolitografie, leptání, nanášení a balení, a nahlédneme do složitostí technologie. Úvod do provozu a údržbyvýrobního zařízení a metrologických nástrojů, které umožní seznámit se s nezbytnými nástroji.

Protokol čistého prostoru a bezpečnostní normy jsou pro zajištění řízení kontaminace a bezpečnosti pracoviště zásadní. Program doplňují zásady kontroly kvality a techniky analýzy dat, které zdůrazňují význam kvality výrobků a optimalizace procesů.

Zaměřením na tato hlavní témata získají noví zaměstnanci solidní znalosti o výrobě polovodičů a budou připraveni dosáhnout úspěchu v oboru.

Výroba polovodičů se vyznačuje digitalizací, protože tvoří základ pro technologie Průmyslu 4.0, jako jsou průmyslový internet věcí (IIoT), kyber-fyzikální systémy, aditivní výroba, rozšířená realita (AR), virtuální realita (VR), umělá inteligence (AI), analýza velkých dat a další pokročilé inovace. V této souvislosti digitalizace technologií automatizace výroby optimalizuje výrobní procesy a zvyšuje provozní efektivitu

Mechatronika, multidisciplinární obor spojující strojírenství, elektrotechniku a počítačovou techniku, je nezbytná pro pochopení a údržbu složitých strojů a robotických systémů používaných při výrobě polovodičů. Navíc s přechodem výrobních závodů na propojené výrobní linky potřebují operátoři odborné znalosti v oblasti síťových technologií, aby zajistili hladkou komunikaci a koordinaci mezi zařízeními a systémy. Platformy MES hrají při optimalizaci výrobních procesů, plánování a přidělování zdrojů klíčovou roli, což vyžaduje, aby operátoři byli zběhlí v jejich obsluze a využívání.

Kromě toho se stále více klade důraz na  energetickou účinnost, a proto musí mít zaměstnanci znalosti zásad managementu energie, zejména v oblastech, jako jsou elektrické systémy a využití stlačeného vzduchu, aby se minimalizovala spotřeba energie a snížil dopad výrobních zařízení na životní prostředí.

Roboty, průmyslové i mobilní, se staly nedílnou součástí moderního výrobního prostředí.

Průmyslové roboty  manipulují s křemíkovými plátky v průběhu celého výrobního procesu. Používají se při montáži a balení polovodičů k úchopu a umístění součástek s vysokou přesností. Průmyslové roboty pomáhají při procesech leptání a depozice tím, že přesně umísťují substráty a masky v procesních komorách. Najdete je v metrologii a inspekci, a dokonce i při údržbě čistých prostor. V závislosti na úkolu se používají různé roboty, například kloubové, kartézské, kolaborativní (coboty) a další.

Autonomní nebo poloautonomní mobilní roboty se používají také pro manipulaci s materiálem (přepravu materiálů, součástek nebo hotových výrobků mezi různými oblastmi výrobního zařízení), správu zásob (sledování a vyhledávání polovodičových destiček, součástek nebo nástrojů) a úlohy inspekce.

PLC se široce používají v systémech výroby polovodičů k řízení a koordinaci různých procesů. Znalost PLC je nezbytná pro pracovníky v oblasti průmyslové automatizace, výroby a řízení procesů, protože jim umožňuje efektivně programovat, obsluhovat a udržovat PLC pro optimalizaci výrobních procesů a zajištění hladkého chodu průmyslových strojů.

Porozumění komponentům hardwaru PLC je nezbytné pro výběr, instalaci, konfiguraci a řešení problémů PLC. Znalost programovacích jazyků pro PLC je nezbytná pro vývoj, testování a ladění programů pomocí profesionálního programovacího softwaru. Kromě toho je důležité integrovat do programů PLC bezpečnostní prvky, jako jsou obvody nouzového zastavení, interlock a bezpečnostní relé.

Vzhledem k tomu, že PLC jsou často integrovány do průmyslové sítě, musí technici také vědět, jak PLC pracují jako rozhraní pro různá výrobní zařízení a systémy ve výrobnách polovodičů. Jedná se o porozumění technologiím čidel, typům pohonů, komunikačním protokolům a mechanizmům výměny dat, které se používají k integraciPLC se zařízeními, jako jsou roboty, vakuové komory, systémy pro dodávku chemikálií a metrologické nástroje. Konfigurace komunikačních rozhraní PLC, nastavení síťových připojení a řešení problémů s komunikací vyžadují důkladnou znalost průmyslových komunikačních protokolů.

Kromě toho by zaměstnanci měli být schopni shromažďovat, zpracovávat a analyzovat data generovaná PLC za účelem sledování výkonnosti procesů, identifikace odchylek a optimalizace výrobních postupů.

Elektrické systémy hrají zásadní roli při napájení, řízení a monitorování zařízení a procesů výroby polovodičů.

Všichni technici potřebují dobře znát základy elektrotechniky a elektroniky, jako jsou elektrické principy, včetně napětí, proudu, odporu, výkonu a obvodů. Školení o elektrické bezpečnosti, včetně postupů blokování/odpojení, správného používání osobních ochranných pomůcek (OOP) a bezpečnostních opatření pro práci se zařízením vysokého napětí, má zásadní význam.

Elektromotory se hojně používají ve strojích a zařízeních při výrobě polovodičů, protože jsou účinné, přesné a spolehlivé. Jejich schopnost poskytovat stálý výkon, spojená s nízkými nároky na údržbu, činí z elektromotorů preferovanou volbu pro napájení kritických zařízení, jako jsou robotická ramena, dopravní pásy, vakuové vývěvy a manipulační systémy pro plátky v závodech na výrobu polovodičů.

Ovladače elektromotorů poskytují účinnost, preciznost, spolehlivost a bezpečnost ve výrobních procesech. Jejich rychlost, točivý moment, směr a polohu lze regulovat pomocí základních technologií, jako jsou relé, ovladače pro servopohony a krokové motory, frekvenční měniče, PLC. atd.

Znalosti v oblasti elektroniky jsou pro pracovníky ve výrobě polovodičů nepostradatelné, protože jim umožňují pochopit základní principy technologie polovodičů, optimalizovat výrobní procesy, obsluhovat sofistikovaná zařízení a provádět diagnostiku a opravy, a to i desek plošných spojů. Znalost teorie obvodů, výkonové elektroniky, analogové elektroniky a digitální elektroniky je důležitá zejména ve výrobě polovodičů, kde se ve výrobních zařízeních používají složité elektronické součástky a systémy.

Pneumatické a elektropneumatické součásti se běžně používají v zařízeních pro výrobu polovodičů k různým účelům, včetně pohonů, řízení a manipulace. Vakuová technologie zajišťuje orientaci a stabilitu plátků během fotolitografie a leptání. Pneumatická čerpadla a ventily zajišťují přesné a stálé dodávky plynů a chemikálií.

Vzhledem k potřebě vysoké přesnosti, komplexní automatizace a optimalizace vycházející z datech ve výrobě polovodičů nabízí digitální pneumatika – tJ. pneumatické komponenty vybavené digitální řídicí technologií – rozšířené funkce, přesné řízení a možnosti komunikace.

Tyto technologie umožňují nákladově efektivní a vysoce výkonná řešení s rychlou odezvou, jednoduchou instalací a údržbou, čistotou a přizpůsobivostí. Pneumatické systémy navíc nejiskří a jsou jiskrově bezpečné, takže jsou vhodné pro použití v nebezpečném prostředí, které se běžně ve výrobních závodech polovodičů vyskytuje.

Čidla hrají klíčovou roli při sledování, řízení a optimalizaci různých procesů, zařízení a prostředí, aby byla zajištěna výroba vysoce kvalitních polovodičů. Čidla sledují teplotu, tlak, průtok, hladinu, optické vlastnosti, vibrace, polohu a další a poskytují zpětnou vazbu o procesních podmínkách v reálném čase. Obsluha může udržovat optimální parametry a včas odhalit jakékoliv odchylky, které by mohly ovlivnit kvalitu výrobku.

V posledních letech pozvedla automatizaci na novou úroveň chytrá čidla a jejich snadná integrace do průmyslových řídicích systémů, neboť poskytují vyšší účinnost, přesnost a spolehlivost.

Přestože jsou továrny na výrobu polovodičů vysoce automatizovaným a technologicky vyspělým prostředím, k obsluze strojů a zařízení jsou zapotřebí základní dovednosti:

Čerpadla a potrubní systémy jsou nedílnou součástí zařízení na výrobu polovodičů. Usnadňují různé procesy a operace, jako je dodávka chemikálií a plynu, chlazení, vytváření podtlaku a nakládání s odpadem.

Mechanické pohonné systémy se opírají o součásti (např. řemeny, řetězy, ozubená kola), které přenášejí sílu a pohyb z motorů na pohyblivé součásti ve strojích na zpracování polovodičů.

Průmyslové elektrické vodiče hrají klíčovou roli při zajišťování napájení a propojení různých strojů a zařízení, aby mohly spolehlivě a efektivně fungovat.

Základní rozměrová metrologie a správné používání běžného ručního nářadí jsou nezbytné pro efektivní práci v údržbě a opravy výrobních zařízení a strojů.

Ve výrobě polovodičů jsou pro udržení přesných podmínek prostředí podstatné systémy topení, větrání, klimatizace (HVAC) a chlazení, nezbytné pro vysoce kvalitní výrobu. Řídí teplotu, vlhkost a kvalitu vzduchu, které jsou pro výrobní proces nezbytné.

Technici musí umět používat sledovací nástroje pro sledování těchto metrik životního prostředí. Jejich technické schopnosti musí zahrnovat i znalosti řídicích systémů vzduchotechniky a klimatizace a jejich integraci s ostatními systémy a procesy v zařízení. Musí také znát základní koncepce chlazení, jako jsou základy termodynamiky a chladicího cyklu.

Výroba polovodičů vyžaduje celou řadu procesní a řídicí instrumentace, která slouží k přesné kontrole, sledování a optimalizaci procesních veličin, jako jsou průtok, hladina, tlak, teplota, pH a vodivost. Mezi běžné příklady patří průtokoměry, čidla pH a čidla tlaku. Klíčovými součástmi těchto procesních smyček jsou také vysílače, ventily a další provozní zařízení.

Systémy SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) a DCS (Distributed Control Systems) jsou příklady automatizovaného řízení, které upravují parametry procesu podle zpětné vazby od čidel, aby udržely požadované podmínky a kvalita polovodičů byla stabilní. Regulují průtok plynů, dávkování chemikálií a nastavení vybavení s vysokou přesností a opakovatelností. Systémy SCADA obvykle průběžně a nepřetržitě sledují a vizualizují procesní data, DCS poskytují centralizované řízení a koordinaci procesního vybavení a operací.

Při výrobě polovodičů se ve velké míře využívá ultračistá voda s minimem kontaminantů. Systémy ultračisté vody (Ultra-Pure Water = UPW) používají pokročilé metody čištění, jako je reverzní osmóza, deionizace a filtrace, aby splňovaly přísné normy kvality. Čištěná voda je nedílnou součástí různých výrobních procesů, včetně čištění plátků, míchání chemikálií a oplachování. Udržování kvality a množství technologické vody je pro konzistentní a spolehlivé výrobní postupy nejdůležitější.

Voda je také důležitou chladicí kapalinou, která chrání vybavení před přehřátím a zajišťuje optimální výkon. Vzhledem k tomu, že při výrobě polovodičů vznikají odpadní vody obsahující různé chemické látky a kontaminanty, jsou před jejich vypouštěním, recyklací nebo opětovným použitím nezbytné účinné procesy čištění. Minimalizuje se spotřeba vody a dopad na životní prostředí a zlepšuje se udržitelnost výrobních postupů.

Provozní dokonalost a kvalita výrobků jsou kritickými pilíři výroby polovodičů, které vyžadují důkladné pochopení různých principů pro zajištění efektivity, spolehlivosti a dokonalosti výrobků.

Díky porozumění štíhlé výrobě, včetně snižování množství odpadu, neustálého zlepšování a mapování hodnotových toků, jsou zaměstnanci schopni optimalizovat procesy a odstraňovat neefektivitu v celé výrobě polovodičů.

Znalost technik statistického řízení procesu (SPC) pomáhá operátorům sledovat a řídit výrobní procesy, udržovat konzistenci a rychle odhalovat odchylky, které by mohly ohrozit kvalitu výrobků.

Znalost zásad totálně produktivní údržby (TPM) je nezbytná pro zajištění spolehlivosti zařízení, minimalizaci prostojů a maximalizaci celkové efektivity zařízení (OEE) ve výrobních závodech polovodičů.

Navíc znalost dalších témat, jako jsou organizace pracovní stanice Poka Yoke, 5S, analýza a mapování hodnotových toků a metody Six Sigma, dále obohacuje dovednosti zaměstnanců a zlepšuje výrobní operace.

Vybavení, které odráží prostředí polovodičových továren, zajišťuje, že se studenti mohou seznámit se stroji a technologiemi, které odpovídají průmyslovým standardům.

Nabídka praktických cvičení, experimentů a projektů, které simulují reálné výrobní scénáře, umožňuje studentům získat cenné praktické zkušenosti.

Využití multimediálních seminářů, simulačních nástrojů, virtuálních laboratoří a aplikací rozšířené reality zlepšuje průběhučení, vyhovuje různým stylům a usnadňuje pochopení složitých koncepcí.

Přizpůsobení výuky studentům z různých prostředí a s různými kariérními ambicemi zajišťuje, že každý jedinec získá vzdělání šité na míru jeho potřebám a cílům.

Sledování pokroku studentů, určování oblastí, v nichž je třeba se zlepšit, a poskytování poradenství a podpory v průběhu celého školení je zárukou, že studenti neustále rozvíjejí své dovednosti.

Pro úspěch v kolaborativním a rychlém prostředí výroby polovodičů je nezbytný důraz na rozvoj měkkých dovedností, jako je komunikace, týmová práce a přizpůsobivost.