Szkolenia w zakresie produkcji półprzewodników

Wszystko zaczyna się od wlewków krzemowych o wysokiej czystości, zwykle produkowanych w wyspecjalizowanym zakładzie produkcyjnym przy użyciu procesu zwanego metodą Czochralskiego i sprzedawanych do odlewni i fabryk półprzewodników.

Podczas produkcji wafli, wlewki krzemowe są cięte na cienkie, okrągłe wafle. Wafle te są następnie polerowane w celu uzyskania gładkich powierzchni. Maszyny do cięcia wafli są używane do cięcia wlewków, podczas gdy maszyny do docierania i polerowania są używane do polerowania wafli.

Cienka warstwa dwutlenku krzemu jest hodowana na powierzchni płytek krzemowych. Warstwa ta działa jak izolacja i pomaga w późniejszych etapach procesu produkcyjnego. Odbywa się to za pomocą specjalnych pieców zwanych piecami utleniającymi.

Ten krok definiuje układ obwodu na płytce. Materiał światłoczuły zwany fotorezystem jest nakładany na wafel, a następnie wzór jest na niego rzutowany za pomocą specjalnej maszyny zwanej ekspozytorem fotolitograficznym. To urządzenie działa jak projektor, ale z bardzo precyzyjnym sterowaniem. Systemy wyrównywania masek są stosowane w celu zapewnienia precyzji i spójności.

Poprzez selektywne trawienie, materiał jest usuwany z powierzchni wafla na podstawie wzoru fotorezystu. Ten krok definiuje cechy urządzenia półprzewodnikowego. Istnieją różne rodzaje wytrawiarek: wytrawiarki mokre, które wykorzystują roztwory chemiczne lub wytrawiarki suche, które wykorzystują gazy lub plazmę.

Procesy fotolitografii i trawienia są powtarzane na każdej z warstw płytki.

Osadzanie dodaje cienkie warstwy materiałów na powierzchnię płytki, aby zbudować obwody i stworzyć pożądane cechy. Systemy chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) wprowadzają gazy prekursorowe do komory reakcyjnej, gdzie reagują one tworząc cienką folię. Systemy fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD) wykorzystują metody fizyczne (takie jak odparowywanie lub rozpylanie) do osadzania materiału na powierzchni płytki.

Na etapie domieszkowania, zanieczyszczenia są wprowadzane do materiału półprzewodnikowego w celu modyfikacji jego właściwości elektrycznych. Implantacja jonów jest powszechną metodą domieszkowania. Implantatory jonowe przyspieszają jony do powierzchni wafla w celu implantacji domieszek na określonych głębokościach. W piecach dyfuzyjnych wafel jest ogrzewany w obecności gazów domieszkujących w celu dyfuzji domieszek do materiału półprzewodnikowego.

Etap ten, zwany również metalizacją, polega na dodaniu metalowych warstw na waflu w celu połączenia różnych elementów obwodu i zapewnienia ścieżki dla przepływu prądu. Odbywa się to za pomocą systemów osadzania, podobnych do tych stosowanych w osadzaniu. Po osadzeniu metalu, jest on modelowany za pomocą fotolitografii w celu stworzenia drutów.

Elementy elektroniczne, takie jak Kondensatory, Tranzystory, Rezystory i Diody mogą być integralnością z urządzeniami półprzewodnikowymi podczas procesu produkcji na różnych etapach, w zależności od rodzaju produkowanego urządzenia półprzewodnikowego.

Urządzenia półprzewodnikowe są rozdzielane, pakowane i testowane w celu zapewnienia funkcjonalności i niezawodności. Urządzenia do łączenia matryc mocują poszczególne chipy do podłoża opakowania, urządzenia do łączenia drutów łączą chipy z przewodami opakowania, urządzenia do hermetyzacji uszczelniają chipy w materiałach ochronnych, a systemy testujące przeprowadzają testy elektryczne w celu weryfikacji wydajności urządzenia. Maszyny do elektrycznego sortowania matryc (EDS) są używane do testowania charakterystyki elektrycznej każdego chipa i sortowania ich na podstawie ich wydajności.

Program "onboardingowy" dla nowych pracowników w branży produkcji półprzewodników powinien pokrywać najważniejsze tematy, aby zapewnić kompleksowe zrozumienie podstaw i procesów produkcyjnych dot. półprzewodników.

 Wprowadzenie do fizyki półprzewodników , w tym pojęć takich jak teoria pasmowa, domieszkowanie i ruchliwość nośników, a także przegląd łańcucha wartości przemysłu półprzewodników. Następnie przegląd materiałów półprzewodnikowych, struktur urządzeń i charakterystyk urządzeń pomaga nowym pracownikom zrozumieć podstawy.

 Przechodząc dalej, eksploracja procesów produkcji półprzewodników, w tym fotolitografii, trawienia, osadzania i opakowania, zapewnia wgląd w zawiłości produkcji. Wprowadzenie do obsługi i konserwacji sprzętu produkcyjnego, a także narzędzi metrologicznych, w celu budowania znajomości podstawowych narzędzi.

Protokół Cleanroom i standardy bezpieczeństwa są kluczowe dla zapewnienia kontroli zanieczyszczeń i bezpieczeństwa w miejscu pracy. Zasady kontroli jakości i techniki analizy danych uzupełniają program, jednocześnie podkreślając znaczenie jakości produktu i optymalizacji procesu.

Skupiając się na tych głównych tematach, nowi pracownicy zyskują solidną wiedzę na temat produkcji półprzewodników, gotowi do osiągnięcia sukcesu.

Produkcja półprzewodników charakteryzuje się cyfryzacją, ponieważ stanowi podstawę technologii Przemysłu 4.0, takich jak Przemysłowy Internet Rzeczy (IIoT),  systemy cyberfizyczne, produkcja addytywna, rzeczywistość rozszerzona (AR), rzeczywistość wirtualna (VR), sztuczna inteligencja (AI), analiza dużych zbiorów danych i inne zaawansowane innowacje. W tym kontekście cyfryzacja technik automatyzacji fabryk optymalizuje procesy produkcyjne i zwiększa efektywność operacyjną

Mechatronika, multidyscyplinarna dziedzina łącząca inżynierię mechaniczną, elektrotechniki i komputerów, jest niezbędna do zrozumienia i utrzymania złożonych maszyn i systemów robotycznych wykorzystywanych w produkcji półprzewodników.  Co więcej, w miarę jak zakłady produkcyjne zmierzają w kierunku wzajemnie połączonych linii produkcyjnych, operatorzy potrzebują specjalistycznej wiedzy w zakresietechnologii sieciowych aby zapewnić płynną komunikację i koordynację między sprzętem i systemami. Platformy MES odgrywają kluczową rolę w optymalizacji procesów produkcyjnych, harmonogramowaniu i alokacji zasobów, wymagając od operatorów biegłości w ich obsłudze i wykorzystaniu.

Dodatkowo, wraz z coraz większym naciskiem na  efektywność energetyczną, pracownicy muszą posiadać wiedzę na temat zasad zarządzania energią, szczególnie w obszarach takich jak systemy elektryczne i zużycie sprężonego powietrza, aby zminimalizować zużycie energii i zmniejszyć wpływ zakładów produkujących półprzewodniki na środowisko.

Zarówno roboty przemysłowe, jak i mobilne, stały się integralną częścią nowoczesnego środowiska fabryk produkcyjnych.

Roboty przemysłowe chwytają wafle krzemowe w całym procesie produkcyjnym. Są one wykorzystywane w operacjach montażu i pakowania półprzewodników do pobierania i umieszczania komponentów z wysoką precyzją. Roboty przemysłowe wspomagają procesy trawienia i osadzania poprzez precyzyjne pozycjonowanie podłoży i masek w komorach procesowych. Można je znaleźć w metrologii i przeglądach, a nawet utrzymaniu w dobrym stanie technicznym pomieszczeń czystych. W zależności od zadania, wykorzystywane są różne roboty, takie jak przegubowe, kartezjańskie, współpracujące (coboty) i inne.

 Autonomiczne lub półautonomiczneroboty mobilne są również wykorzystywane do obsługi materiałów (transport materiałów, komponentów lub gotowych produktów między różnymi obszarami zakładu produkcyjnego), zarządzania zapasami (śledzenie i lokalizowanie płytek półprzewodnikowych, komponentów lub narzędzi) oraz zadań związanych z przeglądem.

Sterowniki PLC są szeroko stosowane w systemach produkcji półprzewodników do sterowania i koordynowania różnych procesów. Biegłość w obsłudze sterowników PLC jest niezbędna dla osób pracujących w automatyce przemysłowej, produkcji i kontroli procesów, umożliwiając im skuteczne programowanie, obsługę i konserwację sterowników PLC w celu optymalizacji procesów produkcyjnych i zapewnienia płynnego działania maszyn przemysłowych.

Zrozumienie komponentów sprzętowych PLC jest niezbędne do wyboru, instalacji, konfiguracji i rozwiązywania problemów z systemami PLC. Biegła znajomość języków programowania PLC jest niezbędna do opracowywania, testowania i debugowania programów PLC przy użyciu profesjonalnego oprogramowania. Ponadto kluczowe znaczenie ma integracja funkcji bezpieczeństwa w programach PLC, takich jak obwody zatrzymania awaryjnego, blokady i przekaźniki bezpieczeństwa.

Ponieważ sterowniki PLC są często integralną częścią sieci przemysłowych, technicy muszą również wiedzieć, w jaki sposób sterowniki PLC sprzęgać z różnymi urządzeniami produkcyjnymi i systemami w fabrykach półprzewodników. Obejmuje to zrozumienie technologii czujników, typów głowic podciśnieniowych, protokołów komunikacyjnych i mechanizmów wymiany danych wykorzystywanych do integralności sterowników PLC z takimi narzędziami jak roboty, komory podciśnieniowe, systemy dostarczania substancji chemicznych i narzędzia metrologiczne. Konfiguracja interfejsów komunikacyjnych PLC, konfiguracja wersji sieciowych i rozwiązywanie problemów komunikacyjnych wymaga solidnego zrozumienia przemysłowych protokołów komunikacyjnych.

Co więcej, pracownicy powinni być w stanie gromadzić, przetwarzać i analizować dane generowane przez sterowniki PLC w celu monitorowania wydajności procesu, identyfikacji odchyleń i optymalizacji procesów produkcyjnych.

Systemy elektryczne odgrywają kluczową rolę w zasilaniu, sterowaniu i monitorowaniu urządzeń i procesów produkcji półprzewodników.

Wszyscy technicy potrzebują solidnego zrozumienia podstaw elektrotechniki i elektroniki, takich jak zasady elektryczne, w tym napięcie, prąd, rezystancja, moc i obwody. Szkolenie w zakresie bezpieczeństwa elektrycznego, w tym procedur lockout/tagout, właściwego stosowania środków ochrony indywidualnej (ang. PPE) i środków ostrożności podczas pracy z urządzeniami pod wysokim napięciem jest najważniejsze.

Silniki elektryczne są szeroko stosowane w maszynach i systemach w produkcji półprzewodników, ponieważ są wydajne, precyzyjne i niezawodne. Ich zdolność do zapewnienia stałej wydajności w połączeniu z niskimi wymaganiami konserwacyjnymi sprawia, że silniki elektryczne są preferowanym wyborem do zasilania krytycznych urządzeń, takich jak ramiona robotów, przenośniki, pompy podciśnieniowe i systemy obsługi płytek półprzewodnikowych w zakładach produkcji półprzewodników.

Sterowniki silników elektrycznych zapewniają efektywność, precyzję, niezawodność i bezpieczeństwo w procesach produkcyjnych. Ich prędkość, moment obrotowy, kierunek i położenie można regulować za pomocą podstawowych technologii, takich jak przekaźniki, sterowniki krokowe i serwonapędy, napędy o zmiennej częstotliwości, sterowniki PLC. itp.

Umiejętności z zakresu elektroniki są niezbędne dla pracowników zajmujących się produkcją półprzewodników, ponieważ umożliwiają im zrozumienie podstawowych zasad technologii półprzewodnikowej, optymalizację procesów produkcyjnych, obsługę zaawansowanego sprzętu oraz rozwiązywanie problemów i naprawę, nawet płytek drukowanych. Biegłość w teorii obwodów, energoelektronice, elektronice analogowej i cyfrowej jest szczególnie istotna w produkcji półprzewodników, gdzie skomplikowane komponenty i systemy elektroniczne są wykorzystywane w sprzęcie produkcyjnym.

Komponenty pneumatyczne i elektropneumatyczne są powszechnie stosowane w urządzeniach do produkcji półprzewodników do różnych celów, w tym do uruchamiania, sterowania i manipulacji. Technologia podciśnienia zapewnia wyrównanie i stabilność wafli podczas procesów fotolitografii i trawienia. Pompy i zawory pneumatyczne zapewniają precyzyjne i spójne dostarczanie gazów i chemikaliów.

Biorąc pod uwagę potrzebę wysokiej precyzji, złożonej automatyzacji i optymalizacji opartej na danych w produkcji półprzewodników, cyfrowa pneumatyka - komponenty pneumatyczne wyposażone w cyfrową technikę sterowania - oferuje zwiększoną funkcjonalność, precyzyjną kontrolę i możliwości komunikacyjne.

Technologie te umożliwiają ekonomiczne, wysokowydajne rozwiązania charakteryzujące się szybkim czasem reakcji, prostą instalacją i utrzymaniem w dobrym stanie technicznym, czystością i możliwością adaptacji. Ponadto systemy pneumatyczne są nieiskrzące i iskrobezpieczne, dzięki czemu nadają się do stosowania w niebezpiecznych środowiskach powszechnie występujących w zakładach produkujących półprzewodniki.

Czujniki odgrywają kluczową rolę w monitorowaniu, kontrolowaniu i optymalizacji różnych procesów, urządzeń i środowisk w celu zapewnienia produkcji wysokiej jakości półprzewodników. Czujniki monitorują między innymi temperaturę, ciśnienie, przepływ, poziom, właściwości optyczne, wibracje, położenie, zapewniając informacje zwrotne w czasie rzeczywistym na temat warunków procesu. Umożliwia to operatorom utrzymanie optymalnych parametrów i szybkie wykrywanie wszelkich odchyleń, które mogą mieć wpływ na jakość produktu.

W ostatnich latach inteligentne czujniki i ich płynna integracja z przemysłowymi systemami sterowania wyniosły technikę automatyzacji na nowy poziom, oferując zwiększoną efektywność, lepszą dokładność i niezawodność.

Chociaż fabryki półprzewodników są wysoce zautomatyzowanymi i zaawansowanymi technologicznie środowiskami, do obsługi maszyn i systemów wymagane są podstawowe umiejętności:

Pompy i systemy rur są integralnymi elementami zakładów produkujących półprzewodniki. Ułatwiają one różne procesy i operacje, takie jak dostarczanie chemikaliów i gazu, chłodzenie, generowanie podciśnienia i zarządzanie odpadami.

Mechaniczne systemy napędowe opierają się na komponentach (np. paskach, łańcuchach, kołach zębatych), które przenoszą moc i ruch z silników do ruchomych części w maszynach do przetwarzania półprzewodników.

Przemysłowe okablowanie elektryczne odgrywa kluczową rolę w dostarczaniu zasilania i łączności do różnych maszyn i systemów, dzięki czemu mogą one działać niezawodnie i efektywnie.

Podstawowa metrologia wymiarowa i prawidłowe korzystanie z powszechnych narzędzi ręcznych są niezbędne do skutecznego utrzymywania w dobrym stanie technicznym i wykonywania napraw maszyn i urządzeń produkcyjnych.

W produkcji półprzewodników systemy ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji (HVAC) i chłodzenia są niezbędne do utrzymania precyzyjnych warunków środowiskowych niezbędnych do produkcji wysokiej jakości. Systemy te sterują temperaturą, wilgotnością i jakością powietrza, które są niezbędne w procesie produkcji.

Technicy muszą biegle posługiwać się narzędziami do monitorowania w celu śledzenia tych metryk środowiskowych. Ich umiejętności techniczne muszą obejmować zrozumienie systemów sterowania HVAC i sposobu, w jaki systemy te integrują się z innymi systemami i procesami w obiekcie. Muszą także rozumieć podstawowe pojęcia z zakresu chłodnictwa, takie jak podstawy termodynamiki i cykl chłodniczy.

Produkcja półprzewodników wymaga różnorodnych oprzyrządowań procesowych i sterujących, aby zapewnić precyzyjną kontrolę, monitorowanie i optymalizację zmiennych procesowych, takich jak przepływ, poziom, ciśnienie, temperatura, pH i przewodność. Typowe przykłady obejmują czujniki przepływu, czujniki pH i czujniki ciśnienia. Nadajniki, zawory i inne urządzenia obiektowe są również kluczowymi elementami tych pętli procesowych.

Systemy SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) i DCS (Distributed Control Systems) to przykłady zautomatyzowanych systemów sterowania, które dostosowują parametry procesu w oparciu o informacje zwrotne z czujników, aby utrzymać pożądane warunki i osiągnąć stałą jakość półprzewodników. Systemy te regulują natężenie przepływu gazu, dawki chemikaliów i ustawienia wyposażenia z wysoką dokładnością i powtarzalnością. Systemy SCADA zazwyczaj monitorują i wizualizują dane procesowe w czasie rzeczywistym, podczas gdy systemy DCS oferują scentralizowaną kontrolę i koordynację urządzeń i operacji procesowych.

Produkcja półprzewodników w dużym stopniu opiera się na ultraczystej wodzie z minimalną ilością zanieczyszczeń. Systemy Ultra-Pure Water (UPW) wykorzystują zaawansowane metody oczyszczania, takie jak odwrócona osmoza, dejonizacja i filtracja, aby spełnić rygorystyczne standardy jakości. Ta oczyszczona woda jest integralną częścią różnych procesów produkcyjnych, w tym czyszczenia wafli, mieszania chemikaliów i płukania. Utrzymanie jakości i ilości wody procesowej ma kluczowe znaczenie dla spójnych i niezawodnych procedur produkcyjnych.

Dodatkowo woda jest również kluczowym czynnikiem chłodzącym, chroniącym sprzęt przed przegrzaniem i zapewniającym optymalną wydajność. Biorąc pod uwagę, że produkcja półprzewodników generuje ścieki zawierające różne chemikalia i zanieczyszczenia, skuteczne procesy oczyszczania są niezbędne przed odprowadzeniem wody, jej recyklingiem lub ponownym użyciem. Minimalizuje to zużycie wody i wpływ na środowisko oraz zapewnia zrównoważone praktyki produkcyjne.

Doskonałość operacyjna i jakość produktu to kluczowe filary produkcji półprzewodników, wymagające dogłębnego zrozumienia różnych zasad w celu zapewnienia efektywności, niezawodności i doskonałości produktu.

Dzięki zrozumieniu koncepcji czystej produkcji, w tym redukcji odpadów, ciągłego doskonalenia i mapowania strumienia wartości, pracownicy są w stanie zoptymalizować procesy i wyeliminować nieefektywności w całej produkcji półprzewodników.

Biegłość w technikach statystycznej kontroli procesu (SPC) pomaga operatorom monitorować i zarządzać procesami produkcyjnymi, utrzymując spójność i szybko identyfikując odchylenia, które mogłyby zagrozić jakości produktu.

Znajomość zasad Total Productive Maintenance (TPM) jest niezbędna do zagwarantowania niezawodności sprzętu, minimalizacji przestojów i maksymalizacji ogólnej efektywności sprzętu (OEE) w zakładach produkujących półprzewodniki.

Co więcej, biegłość w dodatkowych tematach, takich jak Poka Yoke, 5S organizacja stanowiska pracy, analiza strumienia wartości i mapowanie oraz metody Six Sigma dodatkowo wzbogaca umiejętności pracowników i usprawnia operacje produkcyjne.

Zapewnienie sprzętu, który odzwierciedla środowisko występujące w fabrykach półprzewodników, gwarantuje, że studenci mogą zapoznać się ze standardowymi maszynami i technologią.

Oferowanie praktycznych ćwiczeń, eksperymentów i projektów, które symulują rzeczywiste scenariusze produkcyjne, pozwala uczniom zdobyć praktyczne doświadczenie.

Wykorzystanie kursów/seminariów multimedialnych, narzędzi symulacyjnych, wirtualnych laboratoriów i aplikacji rzeczywistości rozszerzonej zwiększa doświadczenie edukacyjne, dostosowuje się do różnych stylów uczenia się i ułatwia zrozumienie złożonych koncepcji.

Dostosowanie szkolenia do studentów z różnych środowisk i o różnych aspiracjach zawodowych zapewnia, że każda osoba otrzymuje edukację dostosowaną do jej potrzeb i celów.

Śledzenie postępów uczniów, identyfikowanie obszarów wymagających poprawy oraz udzielanie wskazówek i wsparcia podczas całego programu szkolenia zapewnia, że uczniowie stale rozwijają swoje umiejętności.

Kładzenie nacisku na rozwój umiejętności miękkich, takich jak komunikacja, praca zespołowa i zdolność adaptacji, jest niezbędne do odniesienia sukcesu w opartym na współpracy i szybkim tempie środowisku produkcji półprzewodników.