كيف التصنيع الآلي لأشباه الموصلات

في الآونة الأخيرة ، أصبحت الأتمتة والروبوتات موضوعًا شائعًا إلى حد ما. تظهر محلات السوبر ماركت بدون صرافين ، يحاول المسك الحصول على الروبوتات لإنتاج ما يكفي من السيارات في الأسبوع ، ويطلق السويديون خطًا آليًا لإنتاج السيارات ، والبريد الروسي يعمل على أتمتة المراسلات باستخدام الطائرات بدون طيار. شخص ما بدأ يخشى فقدان الوظائف ، شخص ما يجرب الدخل الأساسي غير المشروط ، يتساءل الكثيرون إلى أين سيؤدي كل هذا. ومع ذلك ، لدينا بالفعل قطاع صناعي تمت فيه الأتمتة الكاملة منذ فترة طويلة - صناعة أشباه الموصلات. كيف ولماذا حدث هذا وما أدى إليه - لنرى.

لماذا لا يحتاج الناس إلى تصنيع أشباه الموصلات؟

منذ ظهور صناعة أشباه الموصلات ، أصبح من الواضح أنه لا يوجد مكان لشخص في عملية الإنتاج. في كثير من الحالات ، يكون التعبير "صناعة يدوية" مرادفًا لشيء مكلف وعالي الجودة للغاية ، ولكن في صناعة أشباه الموصلات ، يعد هذا أسوأ شيء يمكن أن يحدث لمنتجاتك. يعاني الشخص في تصنيع أشباه الموصلات من ثلاث مشاكل رئيسية:

• عدم دقة التحركات وعدم إمكانية تكرارها ، سواء بالنسبة لعامل واحد ، ومن عامل لآخر. يقوم المشغل بوضع اللوحة في التثبيت في كل مرة بطريقة مختلفة ، والضغط في مكان ما بقوة مختلفة ، وإزالة شيء مختلف ، إلخ. الخ. بالطبع ، هناك حرفيون لديهم تنسيق مثالي للحركات الذين يمكنهم ارتداء البراغيث ، ولكن أولاً ، لا يوجد ما يكفي من هذا النبات ، وثانيًا ، يمكنهم أيضًا أن يمرضوا ، ويذهبوا في إجازة ، وإجازة أمومة ، إلخ. ويجب أن ينتج الإنتاج دائمًا نفس النتيجة ، بغض النظر عن عامل التشغيل.
• أخطاء Errare humanum es t - أن يخطئ هو إنسان. بغض النظر عن مدى مسؤولية وتركيز العامل ، ستظل الأخطاء. كما تعلم ، في الطيران 60 ٪ من أسباب الحوادث هي أخطاء الطيارين ، وحتى هناك أشخاص مسؤولون ويتركزون مثل أي مكان آخر. ماذا يمكن أن نقول عن الإنتاج التقليدي. اللوحات الخاطئة ، الجانب الخطأ ، العملية الخاطئة ، الوصفة الخاطئة ، البيانات المربكة ، الطرق ، الأقنعة ، إلخ. الخ.
• التلوث في فجر تصنيع أشباه الموصلات ، أصبح من الواضح أن الجسيمات الموجودة في الغلاف الجوي ، عندما تضرب الرقاقة ، تدمر الأجهزة وتقلل من العائد إلى صفر تقريبًا. لمكافحة هذه المشكلة ، تم نقل الإنتاج إلى غرف نظيفة بهواء مفلتر. لا يعد تنقية الهواء مشكلة: تعمل فلاتر HEPA على ما يرام ، لكن الحفاظ على نظافة الهواء ليس بهذه البساطة والمشكلة الرئيسية هي الشخص الذي هو المصدر الرئيسي للجسيمات في غرفة نظيفة. هذا واضح في الرسم البياني لاعتماد عدد الجسيمات في الهواء في الوقت المحدد - بداية ونهاية يوم العمل مرئية بوضوح ، وخارج هذا الوقت ينخفض ​​عدد الجسيمات إلى الصفر تقريبًا.
  
  
  اعتماد عدد الجسيمات بحجم 5 ميكرومتر في الغلاف الجوي لغرفة نظيفة في الوقت المحدد لمدة يومين عند العمل في نوبة واحدة (إنتاج MEMS ، فئة النقاء ISO6).
  

مما سبق ، من الواضح أنه يجب إزالة الشخص من إنتاج أشباه الموصلات - فكلما قل ظهوره هناك ، كلما زاد المحصول ، وبالتالي ، زاد الربح من لوحة واحدة. فهمت ، ولكن كيف تنتقل من تركيب جامعي مع مغناطيس على البلاستيسين إلى مصنع أوتوماتيكي بالكامل؟

محفوظات الأتمتة

بما أنني عملت لفترة طويلة كمهندس عمليات في النقش الكيميائي بالبلازما (الجاف) ، فسأوضح تاريخ الأتمتة بشكل رئيسي من خلال نباتات الحفر الجافة.

التثبيت الأول

تركيب النقش الجاف Leybold F1. المصدر: جامعة دلفت التقنية ، هولندا.

لم يكن للمنشآت الأولى أي أتمتة. قام المشغل بفتح غرفة النقش (قطعة مستديرة على اليمين) ، ووضع صفيحة هناك ، وضخ الغرفة ، وضبط تدفقات الغاز والطاقة ، وبدأ العملية. تم تنظيم الضغط بواسطة سرعة الضخ ، وتم التحكم في مطابقة المولد مع البلازما يدويًا بواسطة الطاقة المنعكسة ، ووقت العملية بواسطة ساعة الإيقاف.

سلبيات مثل هذا التثبيت:

• إخلاء غرفة التبخر في كل مرة يتم فيها تغيير الصفيحة - استنساخ طويل ، ضعيف
• عندما يتم فتح الغرفة ، قد يتم إطلاق غازات ليست جيدة جدًا للصحة - في الزاوية اليمنى العليا يمكنك رؤية جرس تهوية شفاف لإزالة الغازات المتبقية
• يعتمد وضع اللوحة في الغرفة على دقة العامل - ضعف التكاثر
• التحكم اليدوي لمعلمات العملية - ضعف التكاثر

الإيجابيات:

• تشعر أنك متورط في هذه العملية - إنه مثل محبي الموسيقى لتسجيل رقم قياسي. فقط في الحاكي - ولا تنس أن تبدأ الربيع وشحذ الإبرة.

لا يتم استخدام هذه الآلات عمليًا اليوم - باستثناء أنها بقيت في الجامعات منذ العصور القديمة وتستخدم للأغراض التعليمية.

البوابة وإدارة الوصفات الطبية

مبادل حراري عميق من السليكون 100 من شركة Oxford Instruments. المصدر: Oxford Instruments.

كانت الخطوة التالية (أو حتى اثنتين) هي تقديم إدارة الوصفات الطبية وبوابة مع مناور. أثناء التحكم في الوصفات الطبية ، لا يقوم المشغل بتعيين معلمات العملية في كل مرة ويراقبها أثناء التشغيل ، ولكن مهندس العملية يكتب وصفة تشير إلى جميع المعلمات ويراقب الجهاز نفسه الامتثال للمعلمات. إذا تعذر توفير المعلمات ، يتوقف الجهاز ويعطي خطأ.

الغرفة التي تجري فيها العملية دائمًا ما يتم ضخها ونادراً ما يتم فتحها ، فقط للصيانة والإصلاح. يتم استخدام بوابة للتنزيل (في الصورة - جزء وحدة التحكم الأيسر من التثبيت). يقوم المشغل بتحميل اللوحة في البوابة ، ويضخ البوابة إلى ضغط التشغيل في الغرفة ، وباستخدام المعالج (يدوي أو ميكانيكي) ، ينقل اللوحة إلى الغرفة ، ويعيد المعالج ، ويغلق القسم بين البوابة والغرفة ، ويختار الوصفة للمعالجة ويضغط على "بدء". بعد اكتمال العملية ، يخرج المعالج اللوحة ويحمل اللوحة التالية من خلال البوابة.

الإيجابيات:

• لا حاجة لفتح غرفة العمل في كل مرة - سلامة المشغل تتحسن وزيادة الإنتاجية وقابلية إعادة الإنتاج
• يحسن استخدام الوصفات من التكاثر

السلبيات:

• لا يزال المشغل يضع اللوحة في البوابة - وهو مصدر أخطاء ومكان لا يمكن إصلاحه
• كفاءة منخفضة - يجب على المشغل تغيير الألواح بانتظام ، وكل تركيب يحتاج إلى مشغل خاص به ، ونحن نحاول التخلص من الأشخاص في غرفة نظيفة

يتم استخدام هذه المرافق على نطاق واسع اليوم في الجامعات والمختبرات في دراسة الأجهزة الجديدة ، وتطوير العمليات الجديدة بشكل أساسي ، وما إلى ذلك. لا يتجاوز حجم الألواح 200 ملم.

مقدمة عن روبوتات التمهيد

Rainbow 4520 مصنع الحفر الجاف عازل من Lam Research. المصدر: نصف المجموعة.

للقضاء على عيوب الجيل السابق ، تم نقل تحميل الألواح إلى الروبوت. يقوم المشغل بوضع كاسيت بألواح (25 قطعة) في التثبيت ، يأخذ الروبوت اللوحة من الكاسيت ، ويوجهها وفقًا لقص القاعدة (أو الشق ، لسوء الحظ ، لا أعرف المصطلح الروسي الصحيح) ، ويضعها في البوابة ، ثم ينقل روبوت آخر اللوحة من البوابة إلى الكاميرا . خيار آخر هو أن يتم وضع الكاسيت بالكامل في غرفة القفل ، ويتم ضخه واستخدام واحد فقط.

الإيجابيات:

• نفس ما في الجيل السابق
• بسبب استخدام الروبوتات في اتجاه وحركة اللوحة ، تم تحسين استنساخ وضع اللوحة في الغرفة
• تقوم الوحدة بمعالجة اللوحة بعد اللوحة تلقائيًا ، ويمكن للمشغل خدمة العديد من المصانع - يتم تقليل عدد المشغلين في غرفة نظيفة

السلبيات:

• استخدام غير فعال للروبوت. الروبوتات باهظة الثمن. تبلغ تكلفة الروبوت 40 ٪ -50 ٪ من تكلفة التثبيت بأكمله ، وبما أن وقت معالجة اللوحة يتجاوز وقت تحميله بشكل كبير ، فإن الروبوت يكون خاملاً بشكل أساسي.
• أخطاء المشغل المحتملة

تم استخدام هذه التركيبات على نطاق واسع في الصناعة في الثمانينيات والتسعينيات ، وهم الآن يعيشون حياتهم في الجامعات والمصانع الصغيرة (على سبيل المثال ، MEMS). عادة ما تصل أحجام الألواح إلى 200 مم.

تركيب الكتلة

رشاش اندورا العنقودي من المواد التطبيقية. يمكن رؤية روبوت فراغ مع لوحين في المركز ، وغرف العمل على الجانبين. كاميرتان صغيرتان في الخلفية عبارة عن أقفال. جميع الكاميرات ووحدة النقل مفتوحة للحصول على صورة جميلة. المصدر: المواد التطبيقية.

للقضاء على عيب الجيل السابق (روبوت باهظ الثمن) ، تم اقتراح استخدام نظام عنقودي: روبوت واحد (بشكل أكثر دقة ، مزيج من روبوتين ، في الغلاف الجوي والفراغ) يخدم عدة كاميرات في وقت واحد ، يتحول إلى كتلة - وحدة نقل واحدة و 3-6 وحدات معالجة الوحدات.

الإيجابيات:

• نفس ما في الجيل السابق
• الاستخدام الفعال للروبوت ، الذي يخدم عدة كاميرات ، يعمل بشكل مستمر تقريبًا

السلبيات:

• لا يزال بإمكان المشغل ارتكاب خطأ عن طريق أخذ شريط خاطئ مع لوحات أو اختيار وصفة خاطئة للتثبيت
• التثبيت باستخدام روبوت والعديد من الكاميرات مكلف للغاية (عدة ملايين من الدولارات) - مناسب فقط للإنتاج الضخم

هذا هو أحدث نوع من التركيب ، يستخدم للوحات حتى 300 مم. يستلزم تنفيذه تغييرات في شرائط الكاسيت وتصميم غرف الأبحاث.

إدخال علب الكاسيت المغلقة

افتح العلبة والصندوق للوحات مقاس 200 مم. المصدر: ePak.

كانت الأشرطة الأولى مفتوحة ومخزنة ببساطة في صناديق. قام المشغلون بنقل الصناديق من مكان إلى آخر ، قبل تحميلها في الماكينة قاموا بإزالة الخرطوشة من الصندوق وإما وضعوا الخرطوشة بالكامل في الماكينة أو قاموا بتحميل الألواح واحدة تلو الأخرى. فرض انفتاح الصندوق قيودًا كبيرة على نظافة المباني ، لإنتاج الإلكترونيات ، كانت هناك حاجة إلى مباني من الدرجة الأولى من النظافة.


غرفة نظيفة نوع ممر.

نظرًا لأن الحفاظ على هذه الفئة من النظافة يعد مكلفًا للغاية ، فقد تم تصميم الغرف النظيفة على النحو التالي: ممر نظيف ، حيث يذهب المشغلون ويحملون وحدات النباتات ، وما يسمى بالمناطق "الرمادية" ، حيث يذهب الجزء الرئيسي من المعدات وأين يتم تقديم الخدمة منها. نظرًا لأن الألواح لا تقع أبدًا في المنطقة "الرمادية" ، يمكن أن تكون درجة نظافتها أقل بكثير ، مما يقلل من تكلفة مرافق الإنتاج. يسمى هذا الترتيب للمنشآت "من خلال الجدار" ، دعنا نسمي نوع غرفة الإنتاج النظيفة "ممر".


المنطقة "الرمادية" ، هناك صيانة المعدات.

مع إدخال التركيبات الأوتوماتيكية بالكامل ، تطرقت الابتكارات أيضًا إلى الصناديق / الأشرطة - وأصبحت مغلقة تمامًا ، ولمسافة 200 ملم تسمى SMIF (الواجهة الميكانيكية القياسية) ، لـ 300 مم FOUP (Pod المفتوحة الموحدة الموحدة ، وضوحا "fup"). تحتوي هذه الصناديق على ميزتين مميزتين:

• الألواح معزولة بالكامل عن الغلاف الجوي.
• تم تصميم الصناديق للنقل التلقائي بواسطة القابضين الآليين - يمكنك أتمتة عملية نقل المعاجين من تثبيت إلى آخر

SMIF - صندوق وعلبة 200 مم. المصدر: ويكيبيديا.


FOUP - صندوق وعلبة للوحات مقاس 300 مم. يفتح الغطاء الأمامي فقط بعد إرساء الوحدة بالوحدة. المصدر: RodeFinch.

الآن معالجة الألواح على النحو التالي: يتم إرفاق الصندوق بالتركيب ، حيث يتم نفخ الهواء المصفى النظيف داخله ، ويتم الحفاظ على ضغط طفيف طفيف ولا يكون الشخص هناك. بعد الاتصال الضيق ، يأخذ الروبوت الجوي اللوحة من الصندوق ويضعها في البوابة ، حيث ، بعد ضخها ، يأخذها الروبوت فراغ. وبالتالي ، فإن اللوحة لا ترى أبدًا الجو الذي يتواجد فيه الناس. سمح ذلك بتقليل درجة النظافة في غرفة الإنتاج. تحتوي هذه الغرفة على فئة نظافة من 1000 وتسمى غرفة نوع "قاعة رقص". الآن ، بدلاً من عدد كبير من الممرات المتوازية ، غرفة الإنتاج النظيفة هي غرفة مفردة ضخمة توجد فيها صفوف من النباتات.


غرفة نظيفة نوع "zalnogo". لا يوجد تقسيم إلى مناطق "نظيفة" و "رمادية". المصدر: IMEC.

تنفيذ النقل التلقائي للوحة

كانت الخطوة الأخيرة في الأتمتة هي إدخال النقل التلقائي للصناديق بين الوحدات. يتم ذلك باستخدام نظام النقل الموجود تحت سقف غرفة الإنتاج. وفقًا للمسار التكنولوجي ، يصل الصندوق إلى تثبيت معين ، يتم تحديد الوصفة تلقائيًا ، بعد نهاية العملية ، ينتقل الصندوق إلى تثبيت آخر (على سبيل المثال ، علم القياس) ، يتم قياس المعلمات ، إذا كان كل شيء على ما يرام ، يذهب الصندوق إلى العملية التالية ، إلخ. تدخل عامل التشغيل غير مطلوب. هناك ناقص واحد فقط هنا - التكلفة ، ولكن إذا كان إنتاجنا ضخمًا جدًا ، فستكون تكلفة شريحة واحدة صغيرة جدًا وسنقوم بسداد الاستثمار في مثل هذا المصنع بسرعة كبيرة (الشيء الرئيسي هو تخمين السوق بشكل صحيح ومعرفة كيفية صنع رقاقة جيدة).


محطة أشباه الموصلات الآلية بالكامل ، تظهر سكك شبكة النقل مع "عربات" بيضاء للقدم تحت السقف. في المقدمة ، يتم إرساء خطوات الأقدام إلى المنشآت. أبعد قليلاً إلى اليمين ، إما أن ترتفع إحدى خطوات الأقدام من التركيب أو تسقط من "النقل". المصدر: توشيبا.

نظام التحكم الآلي في العمليات

نظرًا لأن Geektimes هو مورد لتكنولوجيا المعلومات ، يجب أن تُقال بضع كلمات حول نظام تكنولوجيا المعلومات الذي يدير مثل هذه المصانع الآلية (MES - نظام تنفيذ التصنيع). يجب أن أقول على الفور أنني لست متخصصًا في تكنولوجيا المعلومات ، وأن تعليمي مادي وتقني ، وعملت بشكل أساسي كخبير تقني ، لذلك عملت مع MES فقط كمستخدم. الفكرة الرئيسية من MES هي ضمان الجودة عن طريق تقليل احتمالية الخطأ البشري. حول مراقبة الجودة ، سأكتب مقالة منفصلة بطريقة أو بأخرى ، ولكن الآن ، دعنا نركز على MES.

لذا ، تقوم MES (أو تسمح) بما يلي:

• يخزن طرق التكنولوجيا. كل منتج له طريقه الخاص به ، مع قائمة بالعمليات والوصفات والمواصفات (النهائية والمتوسطة). لا يمكنك ببساطة إجراء تغييرات على المسار أو الوصفة - لا يمكن القيام بذلك إلا بعد الموافقة على التغييرات من قبل هيئة خاصة وبعد تلقي مجموعة من الموافقات والبيانات. لا يتم تخزين الوصفات في المنشآت لتجنب التغييرات العرضية - فهي موجودة على الخادم ، قبل معالجة الألواح ، تقوم MES بتحميل الوصفة من مستودع التثبيت ، وتعالج الألواح وتزيل الوصفة من التثبيت حتى الاستخدام التالي.
• وهي مسؤولة عن حركة الدفعة (مجموعة لوحات في صندوق واحد) على طول الطريق. تعرف MES أي العملية التالية وبعد الانتهاء من عملية واحدة يعطي أمرًا لنظام التغذية الآلي لنقل الكمية إلى التثبيت التالي. في هذه الحالة ، يتم تحديد التثبيت الذي سيتم إجراؤه للعملية (قد يكونان متشابهين إلى حد ما ، ولكن أحدهما مشغول والآخر في الخدمة ، وما إلى ذلك). بطبيعة الحال ، يتم الحفاظ على كامل تاريخ القطعة - عندما تمت معالجتها ، وعلى أي تثبيت ، وما إذا كانت هناك مشاكل ، وما إلى ذلك.
• التحقق من المنتجات للمواصفات. بعد العديد من العمليات التكنولوجية ، تتم عمليات القياس - يتم قياس شيء ما بالضرورة (سمك الفيلم ، حجم الخط ، ارتفاع الخطوة ، في النهاية - المعلمات الكهربائية ، إلخ). تحدد المحطة MES حدود هذه القياسات. إذا كان كل شيء يقع ضمن الحدود ، ينتقل الدفعة إلى العملية التالية ؛ إذا لم يكن الأمر كذلك ، يتوقف الدفعة ويتم إرسال المعلومات إلى مهندس العملية المقابل.
• يجمع الإحصائيات. كم عدد الحصص في أي عملية ، وكم من الوقت مطلوب لعملية واحدة و / أو المسار بأكمله ، وما إلى ذلك. الخ. كل هذا يساعد في تخطيط الإنتاج. إذا كان أي شخص مهتمًا بموضوع تخطيط الإنتاج ، فيمكنني تقديم المشورة لكتاب غولدرات الترفيهي "الهدف".

تمت إزالة الناس من الإنتاج - ما هي النتيجة؟

أصبح إنتاج أشباه الموصلات اليوم مؤتمتًا بالكامل - من حيث المبدأ ، إذا قمت بإدخال خرطوشة مع رقائق السيليكون النظيفة من أحد طرفي المصنع ، فبعد حوالي ثلاثة أشهر (إذا سار كل شيء بسلاسة) ستحصل على خرطوشة مع معالجات تعمل من الطرف الآخر ، لم يلمس أحد الكاسيت أو اللوحة بيديه.

تحول عمل التقني الذي طور العمليات من اختيار التثبيت وتتبع جميع معلمات العملية إلى عمل كاتب على الكمبيوتر: الوصول إلى التثبيت بعيد ، وصفة جديدة مكتوبة وإرشادات حول كيفية استخدامها ؛ بمجرد ظهور نافذة في الإنتاج (وقد تظهر في الثانية صباحًا - الإنتاج على مدار الساعة) يقوم العاملون (نعم ، لا يزالون موجودين ، حتى في الإنتاج المؤتمت بالكامل) بقياس اللوحة وفقًا للتعليمات وإرسال تقرير. يقرأ التقني التقرير ، ويصنع وصفة جديدة (وإذا كانت النتائج جيدة ، فإنها تُجري تغييرات على العملية) وما إلى ذلك إلى ما لا نهاية حتى تتم إزالة المنتج من الإنتاج. أثناء عملي في GlobalFoundries ، ظهرت في غرفة إنتاج نظيفة مرة كل عام ، حتى لا أنسى كيف تبدو النباتات. عند العمل في منشأة إنتاج غير مؤتمتة (أو في معهد علمي مثل IMEC) ، عليك الذهاب إلى الجزء النظيف كل يوم تقريبًا.

في الواقع ، بالطبع ، حتى في الإنتاج المؤتمت بالكامل ، يكون التدخل البشري مطلوبًا في بعض الأحيان - يحدث خطأ ما ، وتتعطل الماكينات ، وتأتي المواد الخام مع عيوب خفية ، إلخ.حسنًا ، وبالطبع ، يحتاج عدد كبير من الأشخاص إلى مثل هذا الإنتاج "المهجور" للعمل - مهندسو المعالجة الذين يطورون ويحسنون تكنولوجيا العملية ؛ مهندسو الخدمة الذين يراقبون المعدات (الخاصة بهم ومن الشركة المصنعة للمعدات) ؛ مهندسي وفنيي صيانة الغرف النظيفة (التهوية ، تكييف الهواء ، توريد المواد الكيميائية ، وما إلى ذلك) ، متخصصي تكنولوجيا المعلومات الذين يدعمون ويطورون MES ، الموظفين الإداريين وما إلى ذلك وهلم جرا ... لذا ، من المفارقات ، يتطلب الإنتاج بدون طيار عدد كبير من الناس لأدائهم. لذلك ، توظف GlobalFoundries في دريسدن أكثر من 3000 شخص.

الخلاصة

الأتمتة والروبوتات ، التي تم الحديث عنها كثيرًا مؤخرًا ، تم تحقيقها منذ فترة طويلة في صناعة أشباه الموصلات. في الوضع التلقائي بالكامل ، تعمل جميع المصانع الكبيرة الحديثة على أحدها تم تصنيع معالج هاتفك الذكي / الكمبيوتر المحمول / الكمبيوتر. لكن هذا لم يؤد على الإطلاق إلى اختفاء الأشخاص في مثل هذه المصانع - فقد انتقلوا ببساطة من مرافق الإنتاج إلى المكاتب (ويجب أن أقول ، جزء من الرومانسية في نفس الوقت المتبقي).