Giải pháp đào tạo cho ngành sản xuất chất bán dẫn

Mọi thứ đều bắt đầu từ các thỏi silicon có độ tinh khiết cao, thường được sản xuất tại một nhà máy sản xuất chuyên dụng bằng quy trình gọi là phương pháp Czochralski và được bán cho các xưởng đúc cũng như nhà máy sản xuất chất bán dẫn.

Trong quá trình chế tạo tấm wafer, các thỏi silicon được cắt thành các tấm wafer mỏng và tròn. Những tấm wafer này sau đó được đánh bóng để tạo ra những bề mặt mịn. Máy cưa tấm wafer được sử dụng để cắt các thỏi, trong khi máy mài và máy đánh bóng được sử dụng để đánh bóng tấm wafer.

Một lớp silicon dioxide mỏng được phủ lên trên bề mặt của tấm silicon. Lớp này có tác dụng cách nhiệt và hỗ trợ các bước tiếp theo của quá trình sản xuất. Việc này được thực hiện bằng cách sử dụng lò nung đặc biệt gọi là lò oxy hóa.

Bước này xác định bố cục mạch trên tấm wafer. Một vật liệu nhạy sáng gọi là chất cản quang được phủ lên tấm wafer, sau đó một hoa văn được chiếu lên đó nhờ một loại máy đặc biệt gọi là máy quang khắc bước. Chiếc máy này hoạt động giống như máy chiếu nhưng được điều khiển rất chính xác. Hệ thống căn chỉnh mặt nạ được sử dụng để đảm bảo độ chính xác và tính nhất quán.

Việc khắc chọn lọc sẽ giúp vật liệu được loại bỏ khỏi bề mặt tấm wafer dựa trên lớp cản quang có hoa văn. Bước này xác định các tính năng của thiết bị bán dẫn. Có nhiều loại máy khắc khác nhau: máy khắc ướt sử dụng dung dịch hóa học hoặc máy khắc khô sử dụng khí hoặc plasma.

Quá trình quang khắc và khắc được lặp lại trên từng lớp của tấm wafer.

Deposition bổ sung các lớp vật liệu mỏng lên bề mặt tấm wafer nhằm tạo nên các mạch điện và tạo ra các tính năng mong muốn. Hệ thống Chemical vapor deposition (CVD) đưa các khí tiền chất vào buồng phản ứng, tại đó chúng phản ứng để tạo thành một lớp màng mỏng. Hệ thống Physical vapor deposition (PVD) sử dụng các phương pháp vật lý (như bay hơi hoặc phun) để lắng đọng vật liệu lên bề mặt tấm wafer.

Ở giai đoạn pha tạp, tạp chất được đưa vào vật liệu bán dẫn để thay đổi các tính chất điện của nó. Cấy ion là một phương pháp bổ sung phổ biến. Máy cấy ion đẩy nhanh các ion vào bề mặt tấm wafer để cấy các chất phụ gia ở độ sâu cụ thể. Lò khuếch tán làm nóng tấm wafer trong sự hiện diện của khí pha tạp để khuếch tán chất pha tạp vào vật liệu bán dẫn.

Còn được gọi là kim loại hóa, bước này bao gồm việc thêm các lớp kim loại vào tấm wafer nhằm liên kết các thành phần khác nhau của mạch và tạo đường dẫn cho dòng điện chạy qua. Việc này được thực hiện bằng cách sử dụng hệ thống lắng đọng, tương tự như hệ thống được sử dụng trong quá trình lắng đọng. Sau khi kim loại được lắng đọng, hoa văn sẽ được hình thành nhờ phương pháp quang khắc để tạo ra các sợi dây.

Các linh kiện điện tử như tụ điện, bóng bán dẫn, điện trở và điốt có thể được tích hợp vào các thiết bị bán dẫn trong quá trình chế tạo qua nhiều bước khác nhau, tùy thuộc vào loại thiết bị bán dẫn được sản xuất.

Các thiết bị bán dẫn được tách riêng, đóng gói và thử nghiệm để đảm bảo chức năng và độ tin cậy. Máy liên kết khuôn gắn từng chip vào chất nền đóng gói, máy liên kết dây kết nối chip với dây dẫn đóng gói, thiết bị đóng gói niêm phong chip trong vật liệu bảo vệ và hệ thống thử nghiệm thực hiện thử nghiệm điện để xác minh hiệu suất của thiết bị. Máy phân loại khuôn điện (EDS) được sử dụng để kiểm tra các đặc tính điện của từng con chip và phân loại dựa trên hiệu suất của chúng.

Chương trình đào tạo dành cho nhân viên mới trong ngành sản xuất chất bán dẫn cần bao gồm các chủ đề thiết yếu để cung cấp hiểu biết toàn diện về các nguyên tắc cơ bản cũng như quy trình sản xuất chất bán dẫn.

Phần giới thiệu về vật lý bán dẫn , bao gồm các khái niệm như lý thuyết vùng năng lượng, pha tạp và độ linh động của hạt tải điện, kết hợp cùng với phần tổng quan về chuỗi giá trị của ngành công nghiệp bán dẫn, đã đặt nền tảng ban đầu. Tiếp theo, phần tổng quan về vật liệu bán dẫn, cấu trúc thiết bị và đặc điểm của thiết bị sẽ giúp nhân viên mới nắm được những kiến thức cơ bản.

Tiếp theo, việc khám phá các  quy trình sản xuất chất bán dẫn, bao gồm quá trình quang khắc, khắc, lắng đọng và đóng gói, cung cấp cái nhìn sâu sắc về tính phức tạp của quá trình sản xuất. Giới thiệu về hoạt động và bảo trì thiết bị sản xuất cũng như các công cụ đo lường để làm quen với các công cụ thiết yếu trong ngành.

Phòng sạch công nghiệp và các tiêu chuẩn về giao thức  an toàn là rất quan trọng để đảm bảo kiểm soát ô nhiễm và an toàn nơi làm việc. Các nguyên tắc kiểm soát chất lượng và kỹ thuật phân tích dữ liệu hoàn thiện chương trình, nhấn mạnh tầm quan trọng của chất lượng sản phẩm và tối ưu hóa quy trình.

Việc tập trung vào các chủ đề chính này giúp nhân viên mới sẽ có được hiểu biết vững chắc về lĩnh vực sản xuất chất bán dẫn, sẵn sàng đạt được thành công trong ngành.

Sản xuất chất bán dẫn được đặc trưng bởi số hóa, vì nó tạo thành nền tảng cho các công nghệ Công nghiệp 4.0 như  Internet công nghiệp vạn vật (IIoT), hệ thống mạng vật lý, sản xuất bồi đắp, thực tế tăng cường (AR), thực tế ảo (VR), trí tuệ nhân tạo (AI), phân tích dữ liệu lớn và các cải tiến tiên tiến khác. Trong bối cảnh này, việc số hóa các công nghệ tự động hóa nhà máy sẽ tối ưu hóa quy trình sản xuất, đồng thời nâng cao hiệu quả hoạt động

Cơ điện tử, một lĩnh vực đa ngành kết hợp kỹ thuật cơ khí, điện và máy tính, đóng vai trò thiết yếu trong việc hiểu và bảo trì máy móc phức tạp cũng như hệ thống robot được sử dụng trong ngành sản xuất chất bán dẫn. Hơn nữa, khi các cơ sở sản xuất chuyển sang các dây chuyền sản xuất kết nối, người vận hành cần có chuyên môn về  công nghệ mạng để đảm bảo giao tiếp và phối hợp liền mạch giữa các thiết bị và hệ thống. Các nền tảng MES đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất, lập lịch trình và phân bổ tài nguyên, đòi hỏi người vận hành phải thành thạo trong việc vận hành và sử dụng chúng.

Ngoài ra, với sự tập trung ngày càng lớn vào  hiệu quả năng lượng, nhân viên phải có kiến thức về các nguyên tắc quản lý năng lượng, đặc biệt là trong những lĩnh vực như hệ thống điện và sử dụng khí nén, để giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng cũng như giảm tác động môi trường của các cơ sở sản xuất chất bán dẫn.

Robot, cả trong lĩnh vực công nghiệp và di động, đã trở thành yếu tố không thể thiếu của môi trường sản xuất hiện đại.

Robot công nghiệp xử lý các tấm wafer silicon trong suốt quá trình sản xuất. Chúng được sử dụng trong hoạt động lắp ráp và đóng gói chất bán dẫn để nhặt và đặt các linh kiện với độ chính xác cao. Robot công nghiệp hỗ trợ quá trình khắc và lắng đọng bằng cách định vị chính xác các chất nền và mặt nạ trong buồng xử lý. Chúng có thể được tìm thấy trong quá trình đo lường và kiểm tra, thậm chí cả bảo trì phòng sạch công nghiệp. Tùy thuộc vào nhiệm vụ, người ta sử dụng nhiều loại robot khác nhau, như robot khớp nối, robot tọa độ, robot cộng tác (cobot) và nhiều loại khác.

 Robot di động tự động hoặc bán tự động cũng được sử dụng để xử lý vật liệu (vận chuyển vật liệu, linh kiện hoặc thành phẩm giữa các khu vực khác nhau của cơ sở sản xuất), quản lý hàng tồn kho (theo dõi và định vị các tấm bán dẫn, linh kiện hoặc dụng cụ) và nhiệm vụ kiểm tra.

PLC được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống sản xuất chất bán dẫn để kiểm soát và phối hợp nhiều quy trình khác nhau. Thành thạo kỹ năng PLC là điều cần thiết đối với những cá nhân làm việc trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, sản xuất và kiểm soát quy trình, cho phép họ lập trình, vận hành và bảo trì PLC hiệu quả cho mục đích tối ưu hóa quy trình sản xuất và đảm bảo máy móc công nghiệp hoạt động trơn tru.

Hiểu biết về các thành phần phần cứng của PLC  là điều cần thiết để lựa chọn, cài đặt, cấu hình và khắc phục sự cố cho các hệ thống PLC. Thành thạo ngôn ngữ lập trình PLC  là rất quan trọng để phát triển, thử nghiệm và gỡ lỗi các chương trình PLC bằng phần mềm lập trình chuyên nghiệp. Bên cạnh việc tích hợp các tính năng an toàn vào các chương trình PLC, ví dụ như mạch dừng khẩn cấp, khóa liên động và rơle an toàn, là rất quan trọng.

Vì PLC thường được tích hợp trong  mạng công nghiệp, các kỹ thuật viên cũng phải hiểu cách PLC giao tiếp với nhiều thiết bị và hệ thống sản xuất khác nhau trong nhà máy sản xuất chất bán dẫn. Điều này bao gồm việc hiểu các công nghệ cảm biến, loại bộ truyền động, giao thức truyền thông và cơ chế trao đổi dữ liệu được sử dụng để tích hợp PLC với các thiết bị như robot, buồng chân không, hệ thống cung cấp hóa chất và công cụ đo lường. Việc cấu hình giao diện truyền thông PLC, thiết lập kết nối mạng và khắc phục sự cố truyền thông đòi hỏi phải có hiểu biết vững chắc về các giao thức truyền thông công nghiệp.

Hơn nữa, nhân viên phải có khả năng thu thập, xử lý và phân tích dữ liệu  do PLC tạo ra để theo dõi hiệu suất quy trình, xác định độ lệch và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Hệ thống điện đóng vai trò quan trọng trong việc cấp điện, kiểm soát và giám sát các thiết bị và quy trình sản xuất chất bán dẫn.

Tất cả các kỹ thuật viên đều cần có hiểu biết vững chắc về kiến thức cơ bản liên quan đến kỹ thuật điện và điện tử, chẳng hạn như các nguyên lý điện, bao gồm điện áp, dòng điện, điện trở, công suất và mạch điện. Đào tạo về các biện pháp an toàn điện, bao gồm các quy trình khóa/gắn thẻ, sử dụng đúng thiết bị bảo vệ cá nhân (PPE) và các biện pháp phòng ngừa khi làm việc với thiết bị điện áp cao là tối quan trọng.

Động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong các máy móc và hệ thống sản xuất chất bán dẫn vì chúng hiệu quả, chính xác và đáng tin cậy. Khả năng mang lại hiệu suất ổn định, cùng với yêu cầu bảo trì thấp, khiến động cơ điện trở thành lựa chọn ưu tiên để cung cấp năng lượng cho các thiết bị quan trọng như cánh tay robot, hệ thống băng tải, máy bơm chân không và hệ thống Handling tấm wafer trong các nhà máy sản xuất chất bán dẫn.

Bộ điều khiển động cơ điện mang lại hiệu quả, độ chính xác, độ tin cậy và an toàn trong suốt quá trình sản xuất. Tốc độ, mô-men xoắn, hướng và vị trí của chúng có thể được điều chỉnh bằng các công nghệ cơ bản như rơ le, bộ truyền động bước và servo, bộ truyền động biến đổi tần số, PLC. vân vân.

Kỹ năng về điện tử là không thể thiếu đối với lực lượng lao động sản xuất chất bán dẫn, vì nó cho phép họ nắm bắt các nguyên tắc cơ bản của công nghệ bán dẫn, tối ưu hóa quy trình sản xuất, vận hành thiết bị tinh vi, cũng như khắc phục sự cố và sửa chữa, thậm chí cả bảng mạch điện. Sự thành thạo về lý thuyết mạch, điện tử công suất, điện tử tương tự và điện tử kỹ thuật số đặc biệt quan trọng trong lĩnh vực sản xuất chất bán dẫn, nơi các linh kiện và hệ thống điện tử phức tạp được sử dụng trong thiết bị sản xuất.

Các thành phần khí nén và điện khí nén thường được sử dụng trong thiết bị sản xuất chất bán dẫn cho nhiều mục đích khác nhau, bao gồm truyền động, điều khiển và thao tác. Công nghệ chân không đảm bảo các tấm wafer được căn chỉnh và ổn định trong quá trình quang khắc và khắc. Máy bơm và van khí nén đảm bảo khí và hóa chất được cung cấp chính xác cũng như nhất quán.

Do nhu cầu về độ chính xác cao, tự động hóa phức tạp và tối ưu hóa dựa trên dữ liệu trong sản xuất chất bán dẫn, khí nén kỹ thuật số—các thành phần khí nén được trang bị công nghệ điều khiển kỹ thuật số—cung cấp chức năng nâng cao, khả năng điều khiển chính xác và khả năng giao tiếp.

Các công nghệ này cho phép tạo ra những giải pháp hiệu suất cao, tiết kiệm chi phí với thời gian phản hồi nhanh, lắp đặt và bảo trì đơn giản, sạch sẽ, đồng thời cũng dễ thích ứng. Ngoài ra, hệ thống khí nén không phát ra tia lửa điện và tuyệt đối an toàn, thích hợp để sử dụng trong môi trường nguy hiểm thường thấy ở các cơ sở sản xuất chất bán dẫn.

Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát, kiểm soát và tối ưu hóa nhiều quy trình, thiết bị và môi trường khác nhau nhằm đảm bảo sản xuất chất bán dẫn chất lượng cao. Cảm biến theo dõi nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức, đặc tính quang học, độ rung, vị trí, v.v., cung cấp phản hồi theo thời gian thực về các điều kiện quy trình. Điều này cho phép người vận hành duy trì các thông số tối ưu và phát hiện kịp thời mọi sai lệch có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

Trong những năm gần đây, cảm biến thông minh và sự tích hợp liền mạch của chúng vào các hệ thống điều khiển công nghiệp đã đưa tự động hóa lên một tầm cao mới, mang lại hiệu quả cao hơn, độ chính xác được cải thiện và độ tin cậy cũng được nâng cao.

Mặc dù các nhà máy sản xuất chất bán dẫn là môi trường tự động hóa và công nghệ cao, nhưng vẫn cần có các kỹ năng cơ bản để vận hành máy móc và hệ thống:

Máy bơm và hệ thống đường ống là những thành phần không thể thiếu trong những cơ sở sản xuất chất bán dẫn. Chúng hỗ trợ nhiều quy trình và hoạt động khác nhau, chẳng hạn như cung cấp hóa chất và khí, làm mát, tạo chân không và quản lý chất thải.

Hệ thống truyền động cơ học dựa vào các thành phần (ví dụ: dây đai, xích, bánh răng) truyền lực và chuyển động từ động cơ đến các bộ phận chuyển động bên trong máy móc xử lý chất bán dẫn.

Hệ thống dây điện công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện và kết nối cho nhiều máy móc cũng như hệ thống khác nhau để chúng có thể hoạt động đáng tin cậy và hiệu quả.

Đo lường kích thước cơ bản và sử dụng đúng các dụng cụ cầm tay thông dụng là điều cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ bảo trì và sửa chữa hiệu quả trên thiết bị cũng như máy móc sản xuất.

Trong ngành sản xuất chất bán dẫn, hệ thống gia nhiệt, thông gió, điều hòa không khí (HVAC) và làm lạnh đóng vai trò thiết yếu để duy trì các điều kiện môi trường chính xác cần thiết cho sản xuất chất lượng cao. Các hệ thống này kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng không khí, tất cả đều cần thiết cho quá trình sản xuất.

Những kỹ thuật viên phải thành thạo trong việc sử dụng các công cụ giám sát để theo dõi các chỉ số môi trường này. Năng lực kỹ thuật của họ phải mở rộng đến việc hiểu biết về hệ thống điều khiển HVAC và cách các hệ thống này tích hợp với những hệ thống và quy trình khác của cơ sở. Họ cũng phải hiểu các khái niệm cơ bản về làm lạnh, chẳng hạn như những nguyên tắc cơ bản của nhiệt động lực học và chu trình làm lạnh.

Sản xuất chất bán dẫn đòi hỏi nhiều loại thiết bị đo lường quy trình và thiết bị kiểm soát nhằm đảm bảo kiểm soát, giám sát và tối ưu hóa chính xác các biến số quy trình như lưu lượng, mức, áp suất, nhiệt độ, độ pH và độ dẫn điện. Các ví dụ phổ biến bao gồm lưu lượng kế, cảm biến pH và bộ điều khiển áp suất. Máy phát, van và các thiết bị hiện trường khác cũng là những thành phần quan trọng trong các vòng lặp quy trình này.

Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) và Hệ thống điều khiển phân tán (DCS) là những ví dụ về hệ thống điều khiển tự động điều chỉnh các thông số quy trình, dựa trên phản hồi từ các cảm biến để duy trì các điều kiện mong muốn, qua đó đạt được chất lượng bán dẫn đồng nhất. Các hệ thống này điều chỉnh lưu lượng khí, liều lượng hóa chất và cài đặt thiết bị với độ chính xác và khả năng lặp lại cao. Hệ thống SCADA thường giám sát và trực quan hóa dữ liệu quy trình theo thời gian thực, trong khi hệ thống DCS cung cấp khả năng điều khiển và phối hợp tập trung các thiết bị cũng như hoạt động quy trình.

Sản xuất chất bán dẫn phụ thuộc rất nhiều vào nước siêu tinh khiết với lượng chất gây ô nhiễm tối thiểu. Hệ thống nước siêu tinh khiết (UPW) sử dụng các phương pháp lọc tiên tiến như thẩm thấu ngược, khử ion và lọc để đáp ứng được những tiêu chuẩn chất lượng nghiêm ngặt. Nước tinh khiết này là một phần không thể thiếu trong nhiều quy trình sản xuất khác nhau, bao gồm làm sạch tấm wafer, trộn hóa chất và rửa sạch. Việc duy trì chất lượng và số lượng nước xử lý là tối quan trọng để đảm bảo quy trình sản xuất nhất quán và đáng tin cậy.

Ngoài ra, nước cũng là chất làm mát quan trọng, bảo vệ thiết bị khỏi tình trạng quá nhiệt và đảm bảo hiệu suất tối ưu. Do quá trình sản xuất chất bán dẫn tạo ra nước thải chứa nhiều loại hóa chất và chất gây ô nhiễm nên cần có quy trình xử lý hiệu quả trước khi xả nước, tái chế hoặc tái sử dụng. Quy trình xử lýt này giúp giảm thiểu lượng nước tiêu thụ và tác động đến môi trường, đồng thời đảm bảo hoạt động sản xuất bền vững.

Quá trình vận hành xuất sắc và chất lượng sản phẩm tốt nhất là những trụ cột quan trọng trong ngành sản xuất chất bán dẫn, đòi hỏi phải hiểu rõ nhiều nguyên tắc khác nhau nhằm đảm bảo hiệu quả, độ tin cậy và sự xuất sắc của sản phẩm.

Hiểu rõ các khái niệm về sản xuất tinh gọn, bao gồm giảm thiểu lãng phí, cải tiến liên tục và lập bản đồ chuỗi giá trị giúp nhân viên có thể tối ưu hóa quy trình, đồng thời loại bỏ tình trạng kém hiệu quả xuyên suốt quá trình sản xuất chất bán dẫn.

Thành thạocác kỹ thuật kiểm soát quy trình thống kê (SPC) giúp người vận hành theo dõi và quản lý quy trình sản xuất, duy trì tính nhất quán, qua đó nhanh chóng xác định các sai lệch có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

Kiến thức về các nguyên tắc bảo trì năng suất toàn diện (TPM) là điều cần thiết để đảm bảo độ tin cậy của thiết bị, giảm thiểu thời gian chết, đồng thời tối đa hóa hiệu quả thiết bị tổng thể (OEE) trong các cơ sở sản xuất chất bán dẫn.

Ngoài ra, thành thạo trong các chủ đề bổ sung như Poka Yoke, 5S tổ chức trạm làm việc, phân tích và lập bản đồ luồng giá trị và các phương pháp Six Sigma giúp làm phong phú thêm bộ kỹ năng của nhân viên, từ đó cải thiện hoạt động sản xuất.

Cung cấp thiết bị phản ánh môi trường trong các nhà máy sản xuất chất bán dẫn đảm bảo sinh viên có thể làm quen với máy móc và công nghệ đạt tiêu chuẩn công nghiệp.

Việc cung cấp các bài tập thực hành, thí nghiệm và dự án mô phỏng các tình huống sản xuất trong thế giới thực cho phép sinh viên có được kinh nghiệm thực tế quý giá.

Việc sử dụng các khóa học đa phương tiện, công cụ mô phỏng, phòng thí nghiệm ảo và ứng dụng thực tế tăng cường giúp nâng cao trải nghiệm học tập, đáp ứng nhiều phong cách học tập khác nhau và tạo điều kiện hiểu rõ những khái niệm phức tạp.

Điều chỉnh chương trình đào tạo cho những học viên có hoàn cảnh khác nhau và có nguyện vọng nghề nghiệp khác nhau đảm bảo mỗi cá nhân đều nhận được chương trình giáo dục phù hợp với nhu cầu và mục tiêu của mình.

Theo dõi tiến độ của học viên, xác định các lĩnh vực cần cải thiện và cung cấp hướng dẫn cũng như hỗ trợ trong suốt chương trình đào tạo nhằm đảm bảo học viên liên tục phát triển kỹ năng của mình.

Việc nhấn mạnh vào việc phát triển các kỹ năng mềm như giao tiếp, làm việc nhóm và khả năng thích ứng là điều cần thiết để thành công trong môi trường sản xuất chất bán dẫn có tính hợp tác và phát triển nhanh.