Rešitve za uspos. za proizvodnjo polprevodnikov

Vse se začne z ingoti silicija visoke čistosti, ki se običajno proizvajajo v specializiranem proizvodnem obratu po postopku, imenovanem metoda Czochralski, in prodajajo livarnam in tovarnam polprevodnikov.

Pri izdelavi ploščic se silicijevi ingoti razrežejo na tanke, okrogle ploščice. Te ploščice nato poliramo, da dobimo gladko površino. Za rezanje ingotov se uporabljajo stroji, imenovani stroji za žaganje ploščic, za poliranje ploščic pa stroji za lepljenje in poliranje.

Na površini silicijevih ploščic zraste tanka plast silicijevega dioksida. Ta plast deluje kot izolacija in pomaga v nadaljnjih fazah proizvodnega procesa. Za to se uporabljajo posebne peči, imenovane oksidacijske peči.

V tem koraku se določi postavitev vezja na ploščici. Na ploščico se nanese svetlobno občutljiv material, imenovan fotorezist, nato pa se nanjo s posebnim strojem, imenovanim fotolitografski steper, projicira vzorec. Ta naprava deluje kot projektor, vendar z zelo natančnim nadzorom. Za zagotavljanje natančnosti in doslednosti se uporabljajo sistemi za poravnavo mask.

S selektivnim jedkanjem se s površine ploščice odstrani material na osnovi vzorčenega fotorezista. V tem koraku se določijo lastnosti polprevodniške naprave. Obstajajo različne vrste strojev za jedkanje: mokri stroji za jedkanje, ki uporabljajo kemične raztopine, in suhi stroji za jedkanje, ki uporabljajo pline ali plazmo.

Postopka fotolitografije in jedkanja se ponovita na vsaki plasti ploščice.

Z nanašanjem se na površino ploščice dodajajo tanke plasti materialov, da se zgradijo vezja in ustvarijo želene lastnosti. Sistemi za kemično nanašanje iz hlapov (CVD) v reakcijsko komoro dovajajo predhodne pline, ki reagirajo in formulirajo tanko folijo. Sistemi za fizikalno nanašanje iz pare (PVD) uporabljajo fizikalne metode (kot sta izhlapevanje ali razprševanje) za nanašanje materiala na površino ploščic.

V fazi dopiranja se v polprevodniški material vnesejo nečistoče, da se spremenijo njegove električne lastnosti. Ionska implantacija je običajna metoda dopiranja. Ionski implantacijski stroji pospešujejo ione v površino ploščic in tako implantirajo dopante na določenih globinah. Difuzijske peči segrevajo ploščice v prisotnosti plinov dopantov, da se dopanti razpršijo v polprevodniški material.

Ta korak, imenovan tudi metalizacija, vključuje dodajanje kovinskih plasti na ploščico, ki služi za povezavo različnih komponent vezja in zagotavlja pot za pretok električnega toka. Pri tem se uporabljajo sistemi za nanašanje, podobni tistim, ki se uporabljajo pri nanašanju. Ko je kovina nanesena, se s fotolitografijo oblikuje vzorec za žice.

Elektronske komponente, kot so kondenzatorji, tranzistorji, upori in diode, se lahko med postopkom izdelave vgradijo v polprevodniške naprave v različnih korakih, odvisno od vrste izdelane polprevodniške naprave.

Polprevodniške naprave so ločene, podvržene pakiranju in preizkušene, da se zagotovita njihova funkcionalnost in zanesljivost. Naprave za lepljenje matric pritrdijo posamezne čipe na podlage za pakiranje, naprave za lepljenje žic povežejo čipe z napeljavami za pakiranje, oprema za tesnilo zapre čipe v zaščitne materiale, testni sistemi pa izvajajo električno testiranje za preverjanje delovanja naprave. S stroji za razvrščanje električnih matric (EDS) se preizkušajo električne lastnosti vsakega čipa in jih razvrščajo na osnovi njihove zmogljivosti.

Program uvajanja za nove zaposlene v industriji proizvodnje polprevodnikov mora vključevati bistvene teme za celovito razumevanje osnov in proizvodnih procesov polprevodnikov.

  Uvod v polprevodniškofiziko, vključno s pojmi, kot so pasovna teorija, dopiranje in mobilnost nosilcev, ter pregled vrednostne verige polprevodniške industrije postavljata temelje. Nato je novim zaposlenim na voljo pregled polprevodniških materialov, struktur in značilnosti naprav, ki jim pomaga razumeti osnove.

Nadaljujemo z raziskovanjem postopkov izdelave polprevodnikov , vključno s fotolitografijo, jedkanjem, nanašanjem in pakiranjem, ki omogočajo vpogled v zapletenost proizvodnje. Uvod v delovanje in vzdrževanje proizvodne opreme ter meroslovnih orodij, da bi se seznanili z osnovnimi orodji stroke.

Čistilni prostori Protokol in varnostni standardi so ključni za zagotavljanje nadzora nad kontaminacijo in varnosti na delovnem mestu. Načela nadzora kakovosti in tehnike analize podatkov dopolnjujejo program, pri čemer poudarjajo pomen kakovosti izdelkov in optimizacije procesov.

S poudarkom na teh glavnih temah novi zaposleni dobro razumejo proizvodnjo polprevodnikov in so pripravljeni na uspeh v industriji.

Za proizvodnjo polprevodnikov je značilna digitalizacija, saj je formulacija za Industrijo 4.0, kot so industrijske internet stvari (IIoT), kiberfizični sistemi, aditivna proizvodnja, razširjena resničnost (AR), virtualna resničnost (VR), umetna inteligenca (AI), analiza velikih količin podatkov in druge napredne inovacije. V tem okviru digitalizacija tehnologij za avtomatizacijo tovarn optimizira proizvodne procese in povečuje učinkovitost delovanja

Mehatronika, multidisciplinarno področje, ki združuje strojništvo, elektrotehniko in računalništvo, je bistvenega pomena za razumevanje in vzdrževanje zapletenih strojev in robotskih sistemov, ki se uporabljajo v proizvodnji polprevodnikov. Poleg tega se proizvodni obrati približujejo medsebojno povezanim vodnikom, zato operaterji potrebujejo strokovno znanje o mrežnih tehnologijah za zagotavljanje nemotene komunikacije in usklajevanja med opremo in sistemi. Platforme MES  imajo ključno vlogo pri optimizaciji proizvodnih procesov, razporejanju in dodeljevanju virov, zato morajo biti operaterji vešči njihovega delovanja in uporabe.

Poleg tega morajo zaposleni zaradi vse večjega poudarka na  energetski učinkovitosti poznati načela upravljanja energije, zlasti na področjih, kot so električni sistemi in uporaba stisnjenega zraka, da bi čim bolj zmanjšali porabo energije in vpliv na okolje v obratih za proizvodnjo polprevodnikov.

Roboti, tako industrijski kot mobilni, so postali sestavni del sodobnega proizvodnega okolja.

Industrijski roboti   ravnajo s silicijevimi ploščicami skozi celoten proizvodni proces. Uporabljajo se pri montaži in pakiranju polprevodnikov za zelo natančno pobiranje in nameščanje sestavnih delov. Industrijski robot pomaga pri procesih jedkanja in nanašanja z natančnim postavljanjem substratov in mask v procesne komore. Uporabljajo se v meroslovju in pri inšpekcijskem pregledu ter celo pri vzdrževanju čistih prostorov. Glede na nalogo se uporabljajo različni roboti, kot so sklepni, kartezični, kolaborativni (koboti) in drugi.

Avtonomni ali polavtonomni mobilni roboti se uporabljajo tudi za ravnanje z materialom (prevoz materialov, komponent ali končnih izdelkov med različnimi območji proizvodnega obrata), upravljanje zalog (sledenje in iskanje polprevodniških rezin, komponent ali orodij) in naloge inšpekcijskega pregleda.

PLC se pogosto uporabljajo v sistemih za proizvodnjo polprevodnikov za nadzor in usklajevanje različnih procesov. Usposobljenost za PLC je bistvenega pomena za posameznike, ki delajo na področju industrijske avtomatizacije, proizvodnje in nadzora procesov, saj jim omogoča učinkovito programiranje, upravljanje in vzdrževanje PLC za optimizacijo proizvodnih procesov in zagotavljanje nemotenega delovanja industrijskih strojev.

Razumevanje komponent strojne opreme PLC je ključno pri izbiri, namestitvi, konfiguriranju in odpravljanju težav sistemov PLC. Znanje programiranja PLC jezikov je ključno za razvoj, testiranje in odpravljanje napak programov PLC z uporabo profesionalne programske opreme za programiranje. Poleg tega je ključnega pomena, da v programe PLC vključite varnostne funkcije, kot so tokokrogi za ustavitev v sili, zapore in releji z varnostno oznako.

Ker so krmilniki PLC pogosto vključeni v industrijsko omrežje, morajo tehniki vedeti tudi, kako so krmilniki PLC opremljeni z vmesnikom za povezavo z različno proizvodno opremo in sistemi v tovarnah polprevodnikov. To vključuje razumevanje tehnologij senzorjev, vrst aktuatorjev, komunikacijskih protokolov in mehanizmov za izmenjavo podatkov, ki se uporabljajo za povezovanje PLC z opremo, kot so roboti, vakuumske komore, sistemi za dostavo kemikalij in meroslovna orodja. Konfiguracija komunikacijskih vmesnikov PLC, vzpostavitev omrežnih povezav in odpravljanje težav s komunikacijo zahtevajo dobro poznavanje industrijskih komunikacijskih protokolov.

Poleg tega morajo biti zaposleni sposobni zbirati, obdelovati in analizirati podatke , ki jih generirajo krmilniki PLC, za spremljanje učinkovitosti procesa, ugotavljanje odstopanj in optimizacijo proizvodnih procesov.

Električni sistemi imajo ključno vlogo pri napajanju, nadzoru in spremljanju opreme in procesov v proizvodnji polprevodnikov.

Vsi tehniki morajo dobro poznati osnove elektrotehnike in elektronike, kot so električna načela, vključno z napetostjo, tokom, upornostjo, močjo in vezji. Najpomembnejše je usposabljanje o električni varnosti, vključno s postopki blokade/izklopa, pravilno uporabo osebne varovalne opreme (OVO) in varnostnimi ukrepi za delo z visokonapetostno opremo.

Električni motorji se pogosto uporabljajo v strojih in sistemih v proizvodnji polprevodnikov, saj so učinkoviti, natančni in zanesljivi. Zaradi doseganja enakomerne zmogljivosti v povezavi z nizkimi zahtevami po vzdrževanju so elektromotorji priljubljena izbira za pogon kritičnih naprav, kot so robotske roke, transportni traki, vakuumske črpalke in upravljalni sistemi za ravnanje z rezinami v obratih za proizvodnjo polprevodnikov.

Krmilniki motorjev zagotavljajo učinkovitost, natančnost, zanesljivost in varnost v proizvodnih procesih. Njihovo hitrost, navor, smer in položaj je mogoče uravnavati z osnovnimi tehnologijami, kot so releji, koračni in servopogoni, pogoni s spremenljivo frekvenco in PLC. itd.

Elektronska znanja so nepogrešljiva za delovno silo v proizvodnji polprevodnikov, saj omogočajo razumevanje osnovnih načel polprevodniške tehnologije, optimizacijo proizvodnih procesov, upravljanje zapletene opreme ter odpravljanje in popravila tudi tiskanih plošč. Znanje teorije vezij, močnostne elektronike, analogne elektronike in digitalne elektronike je pomembno predvsem v proizvodnji polprevodnikov, kjer se v proizvodni opremi uporabljajo zapletene elektronske komponente in sistemi.

Pnevmatske in elektropnevmatske komponente se pogosto uporabljajo v opremi za proizvodnjo polprevodnikov za različne namene, vključno z aktiviranjem, nadzorom in manipulacijo. Vakuumska tehnologija zagotavlja, da so ploščice med postopki fotolitografije in jedkanja poravnane in stabilne. Črpalke in ventili zagotavljajo natančno in dosledno oskrbo s plini in kemikalijami.

Zaradi potrebe po visoki natančnosti, kompleksni avtomatizaciji in optimizaciji na podlagi podatkov v proizvodnji polprevodnikov digitalna pnevmatika – pnevmatske komponente, opremljene z digitalno krmilno tehnologijo – ponuja izboljšano funkcionalnost, natančen nadzor in komunikacijske zmogljivosti.

Te tehnologije omogočajo stroškovno učinkovite in visokozmogljive rešitve s hitrim odzivnim časom, preprosto namestitvijo in vzdrževanjem, čistočo in prilagodljivostjo. Poleg tega pnevmatski sistemi ne povzročajo iskrenja in so intrinzično varni, zato so primerni za uporabo v nevarnih okoljih, ki jih pogosto najdemo v obratih za proizvodnjo polprevodnikov.

Senzorji imajo ključno vlogo pri spremljanju, nadzoru in optimizaciji različnih procesov, opreme in okolij za zagotavljanje proizvodnje visokokakovostnih polprevodnikov. Senzorji med drugim spremljajo temperaturo, tlak, pretok, nivo, optične lastnosti, vibracije, položaj in zagotavljajo povratne informacije o procesnih pogojih v realnem času. Tako lahko upravljavci vzdržujejo optimalne parametre in hitro odkrijejo vsa odstopanja, ki bi lahko vplivala na kakovost izdelka.

V zadnjih letih so spretni senzorji in njihova brezhibna integracija v industrijske nadzorne sisteme dvignili avtomatizacijo na novo raven, saj zagotavljajo večjo učinkovitost, natančnost in zanesljivost.

Čeprav so tovarne polprevodnikov visoko avtomatizirana in visokotehnološka okolja, so za upravljanje strojev in sistemov potrebna osnovna znanja:

Črpalke in cevni sistemi so sestavni deli obratov za proizvodnjo polprevodnikov, ki omogočajo različne procese in dejavnosti, kot so dovajanje kemikalij in plina, hlajenje, ustvarjanje vakuuma in ravnanje z odpadki.

Mehanski pogonski sistemi so odvisni od komponent (npr. pas, veriga, zobnik), ki prenašajo moč in gibanje z motorjev na gibljive dele v strojih za obdelavo polprevodnikov.

Industrijska električna napeljava ima ključno vlogo pri zagotavljanju napajanja in povezljivosti različnih strojev in sistemov, da lahko ti zanesljivo in učinkovito delujejo.

Osnove dimenzionalnega meroslovja in pravilna uporaba običajnih ročnih orodij so bistvene za učinkovito vzdrževanje in popravila proizvodne opreme in strojev.

V proizvodnji polprevodnikov so sistemi za ogrevanje, prezračevanje, klimatizacijo (HVAC) in hlajenje bistveni za vzdrževanje natančnih okoljskih pogojev, potrebnih za visokokakovostno proizvodnjo. Ti sistemi nadzorujejo temperaturo, vlažnost in kakovost zraka, ki so ključni za proizvodni proces.

Tehniki morajo znati uporabljati orodja za spremljanje, da lahko spremljajo te okoljske metrike. Njihove tehnične sposobnosti morajo obsegati razumevanje krmilnih sistemov HVAC in povezovanje teh sistemov z drugimi sistemi in procesi v objektu. Razumeti morajo tudi osnovne koncepte hlajenja, kot so osnove termodinamike in hladilni cikel.

Proizvodnja polprevodnikov zahteva različne procesne in nadzorne instrumente, ki zagotavljajo natančen nadzor, monitoring in optimizacijo procesnih spremenljivk, kot so pretok, raven, tlak, temperatura, pH in prevodnost. Običajni primeri so merilniki pretoka, senzorji pH in krmilniki tlaka. Ključni sestavni deli teh procesnih zank so tudi oddajniki, ventili in druge terenske naprave.

Nadzorni nadzor in zbiranje podatkov (SCADA) ter porazdeljeni nadzorni sistemi (DCS) so primeri avtomatiziranih nadzornih sistemov, ki na osnovi povratnih informacij iz senzorjev prilagajajo parametre procesa, da bi ohranili želene pogoje in dosegli stalno kakovost polprevodnikov. Ti sistemi z visoko natančnostjo in ponovljivostjo uravnavajo pretoke plinov, odmerke kemikalij in nastavitve opreme. Sistemi SCADA običajno monitorirajo in vizualizirajo podatke o procesu v realnem času, medtem ko sistemi DCS zagotavljajo centraliziran nadzor in usklajevanje procesne opreme in operacij.

Proizvodnja polprevodnikov je močno odvisna od zelo čiste vode z minimalno količino onesnaževalcev. Sistemi za izjemno čisto vodo (UPW) uporabljajo napredne metode čiščenja, kot so reverzna osmoza, deionizacija in filtriranje, da bi izpolnili stroge standarde kakovosti. Ta prečiščena voda je sestavni del različnih proizvodnih postopkov, vključno s čiščenjem ploščic, mešanjem kemikalij in izpiranjem. Ohranjanje kakovosti in količine tehnološke vode je bistvenega pomena za dosledne in zanesljive proizvodne postopke.

Poleg tega je voda tudi ključno hladilno sredstvo, ki opremo varuje pred pregrevanjem in zagotavlja optimalno delovanje. Ker pri proizvodnji polprevodnikov nastajajo odpadne vode, ki vsebujejo različne kemikalije in onesnaževala, so pred izpustom, recikliranjem ali ponovno uporabo nujno potrebni učinkoviti postopki čiščenja. S tem se zmanjšata poraba vode in vpliv na okolje ter zagotavljajo trajnostne proizvodne prakse.

Operativna odličnost in kakovost izdelkov sta ključna stebra proizvodnje polprevodnikov, ki zahtevata temeljito razumevanje različnih načel za zagotavljanje učinkovitosti, zanesljivosti in odličnosti izdelkov.

Z razumevanjem konceptov čiste proizvodnje, vključno z zmanjševanjem odpadkov, stalnimi izboljšavami in kartiranjem vrednostnih tokov, lahko zaposleni optimizirajo procese in odpravijo neučinkovitosti v celotni proizvodnji polprevodnikov.

Znanje tehnik statističnega nadzora procesov (SPC) operaterjem pomaga pri spremljanju in upravljanju proizvodnih procesov, ohranjanju doslednosti in hitremu prepoznavanju odstopanj, ki bi lahko ogrozila kakovost izdelka.

Poznavanje načel celovitega produktivnega vzdrževanja (TPM) je nepogrešljivo za zagotavljanje zanesljivosti opreme, zmanjšanje izpadov in povečanje splošne učinkovitosti opreme (OEE) v obratih za proizvodnjo polprevodnikov.

Poleg tega znanje dodatnih tem, kot so Poka Joke, 5S organizacija delovnih mest, analiza tokov vrednosti in kartiranje ter metode Six Sigma, dodatno obogati nabor spretnosti zaposlenih in izboljša proizvodne dejavnosti.

Oprema, ki odraža okolje v tovarnah polprevodnikov, študentom omogoča, da se seznanijo s stroji in tehnologijami, ki ustrezajo industrijskim standardom.

S praktičnimi vajami, poskusi in projekti, ki je simulator scenarijev iz resničnega sveta, lahko študenti pridobijo dragocene praktične izkušnje.

Uporaba multimedijskih seminarjev, simulatorjev, virtualnih laboratorijev in aplikacij razširjene resničnosti izboljša učno izkušnjo, ustreza različnim učnim stilom in olajša razumevanje zapletenih konceptov.

Prilagajanje usposabljanja študentom iz različnih okolij in z različnimi poklicnimi željami zagotavlja, da je vsak posameznik deležen izobraževanja, prilagojenega njegovim potrebam in ciljem.

Spremljanje napredka študentov, ugotavljanje področij za izboljšave ter zagotavljanje usmerjanja in podpore med celotnim programom usposabljanja zagotavlja, da študenti nenehno razvijajo svoje spretnosti.

Poudarjanje razvoja mehkih veščin, kot so komunikacija, timsko delo in prilagodljivost, je bistvenega pomena za uspeh v sodelovalnem in hitro spreminjajočem se okolju proizvodnje polprevodnikov.