- PVSM.RU - https://www.pvsm.ru -
В последнее время автоматизация и роботизация является довольно популярной темой. Появляются супермаркеты без кассиров [1], Маск пытается заставить роботов выпускать достаточное количество автомобилей в неделю [2], Шведы запускают роботизированную линию по производству автомобилей [3], почта России автоматизирует доставку корреспонденции при помощи дронов. [4] Кто-то начинает опасаться потери рабочих мест, кто-то экспериментирует с безусловным основным доходом [5], многие задумываются, к чему все это приведет. Однако, у нас уже есть отрасль индустрии в которой полная автоматизация произошла довольно давно – полупроводниковая промышленность. Как и почему это произошло и к чему это привело – давайте посмотрим.
С момента возникновения полупроводниковой промышленности стало ясно, что в производственном процессе человеку места нет. Во многих случаях выражение «ручная работа» является синонимом чего-то дорогого и очень качественного, но в полупроводниковом производстве это худшее, что может случиться с вашей продукцией. У человека на полупроводниковом производстве есть три основные проблемы:
Зависимость количества частиц размером 5 мкм в атмосфере чистого помещения от времени в течение двух суток при работе в одну смену (Производство МЭМС, класс чистоты ISO6).
Из всего вышесказанного понятно, что человека из полупроводникового производства нужно удалять – чем реже он там будет появляться, тем выше будет выход годных и, соответственно, тем больше будет прибыль с одной пластины. Понятно-то понятно, но как перейти от университетской установки с магнитиками на пластилине к полностью автоматической фабрике?
Так как я долгое время работал инженером-технологом в плазмохимическом (сухом) травлении, то проиллюстрирую историю автоматизации в основном установками сухого травления.
Установка сухого травления Leybold F1. Источник: Технический Университет Делфта, Нидерланды.
Первые установки никакой автоматизации не имели. Оператор открывал камеру травления (круглая штука справа), клал туда пластину, откачивал камеру, выставлял потоки газов и мощность, запускал процесс. Давление регулировалось скоростью откачки, согласование генератора с плазмой – вручную по отраженной мощности, время процесса по секундомеру.
Минусы такой установки:
Плюсы:
Такие машины в наше время практически не используются – разве что в университетах остались со стародавних пор и используются в учебных целях.
Установка глубокого тавления кремния Plasma Pro Estrelas 100 фирмы Oxford Instruments. Источник: Oxford Instruments.
Следующим шагом (или даже двумя) было внедрение рецептурного управления и шлюза с манипулятором. При рецептурном управлении оператор не каждый раз задает параметры процесса и следит за ними в процессе работы а инженер-технолог пишет рецепт, в котором все параметры указаны а за соблюдением параметров следит уже сама машина. Если параметры не могут быть обеспечены, машина останавливается и выдает ошибку.
Камера, в которой происходит процесс, всегда остается откачанной и открывается редко, только для обслуживания и ремонта. Для загрузки используется шлюз (на фото – левая консольная часть установки). Оператор загружает пластину в шлюз, откачивает шлюз до рабочего давления камеры и с помощью манипулятора (ручного или механизированного) перемещает пластину в камеру, возвращает манипулятор, закрывает перегородку между шлюзом и камерой, выбирает рецепт для обработки и нажимает «старт». После окончания процесса вынимает манипулятором пластину и загружает через шлюз следующую.
Плюсы:
Минусы:
Такие установки широко используются и в наше время в университетах и лабораториях при изучении новых приборов, разработке принципиально новых процессов и т.д. Размер пластин не превышает 200 мм.
Установка сухого травления диэлектриков Rainbow 4520 фирмы Lam Research. Источник: Semigroup.
Для устранения двух минусов предыдущего поколения загрузку пластин переложили на робота. Оператор ставит в установку кассету с пластинами (25 шт), робот берет пластину из кассеты, ориентирует по базовому срезу (или по notch – к сожалению, не знаю правильный русский термин) помещает в шлюз, и потом из шлюза в камеру пластину перемещает другой робот. Другой вариант – кассета помещается полностью в шлюзовую камеру, откачивается и робот используется только один.
Плюсы:
Минусы:
Подобные установки широко использовались в промышленности в 80-х и 90-х, сейчас они доживают свой век в университетах и мелких фабриках (например, МЭМС). Размер пластин обычно до 200 мм.
Кластерная установка напыления Endura фирмы Applied Materials. В центре виден ваккумный робот с двумя пластинами, по бокам — рабочие камеры. Две камеры поменьше на заднем плане — шлюзовые. Все камеры и транспортный модуль открыты для красивой фоточки. Источник: Applied Materials.
Чтобы устранить недостаток предыдущего поколения (простаивающий дорогой робот) было предложено использовать кластерную систему: один робот (точнее связка из двух роботов, атмосферного и вакуумного) обслуживает сразу несколько камер, получается кластер – один транспортный модуль и 3-6 модулей, обрабатывающих пластины.
Плюсы:
Минусы:
Это самый современный тип установок, используется для пластин до 300 мм. Его внедрение повлекло за собой изменения в кассетах и в конструкции чистых помещений.
Открытая кассета и бокс для 200 мм пластин. Источник: ePak.
Первые кассеты были открытыми и просто хранились в коробках. Операторы переносили коробки с места на место, перед загрузкой в машину доставали кассету из коробки и либо ставили в машину всю кассету, либо загружали пластины по одной. Открытость коробки накладывала существенные ограничения на чистоту помещений, для производства электроники требовались помещения 1-го класса чистоты.
Чистое помещение «коридорного» типа.
Так как поддержание такого класса чистоты стоит довольно дорого, чистые помещения проектировались следующим образом: чистый коридор, где ходят операторы и находятся загрузочные модули установок и так называемые «серые» зоны, куда выходит основная часть оборудования и откуда производится его обслуживание. Так как пластины никогда не попадают в «серую» зону, её класс чистоты может быть гораздо ниже, что снижает стоимость производственных помещений. Такое расположение установок называется «through-the-wall», назовем это чистое производственное помещение «коридорного» типа.
«Серая» зона, там происходит обслуживание оборудования.
С внедрением полностью автоматических установок нововведения коснулись и боксов/кассет – они стали полностью закрытыми, для 200 мм они называются SMIF (Standard Mechanical Interface), для 300 мм FOUP (Front Open Unified Pod, произносится «фуп»). Такие боксы имеют две характерные черты:
SMIF — бокс и кассета для 200 мм пластин. Источник: Википедия.
FOUP — бокс и кассета для 300 мм пластин. Фронтальная крышка открывается только после пристыковки фупа к установке. Источник: RodeFinch.
Теперь обработка пластин происходит следующим образом: бокс пристыковывается к установке, внутри которой продувается чистый фильтрованный воздух, поддерживается небольшое избыточное давление и человека там нет. После герметичной стыковки, атмосферный робот берет пластину из бокса и помещает в шлюз, откуда после откачки ее забирает вакуумный робот. Таким образом, пластина никогда не видит атмосферу, в которой присутствуют люди. Это позволило снизить класс чистоты в производственном помещении. Такое помещение имеет класс чистоты 1000 и называется помещением «зального» типа (ball room). Теперь вместо большого количества параллельных коридоров чистое производственное помещение представляет собой огромное единое помещение в котором располагаются ряды установок.
Чистое помещение «зального» типа. Нет разделения на «чистые» и «серые» зоны. Источник: IMEC.
Последним шагом автоматизации стало внедрение автоматической транспортировки боксов между установками. Это делается при помощи транспортной системы, расположенной под потолком производственного помещения. В соответствии с технологическим маршрутом бокс прибывает на определенную установку, рецепт выбирается автоматически, после окончания процесса бокс переезжает на другую установку (например, метрологии), происходит измерение параметров, если все ОК, бокс едет на следующую операцию и т.д. Вмешательство операторов при этом не требуется. Минус здесь только один – стоимость, но если наше производство довольно массовое, то стоимость одного чипа будет совсем небольшая [8] и инвестиции в такой завод мы отобьём довольно быстро (главное, правильно угадать с рынком и знать, как сделать хороший чип).
Полностью автоматизированный полупроводниковый завод, под потолком видны рельсы транспортной системы с белыми «вагонами» для фупов. На переднем плане фупы пристыкованы к установкам. Чуть дальше справа один из фупов либо поднимается с установки, либо опускается из «вагона». Источник: Toshiba.
Так как Geektimes — это IT-ресурс, пару слов стоит сказать об IT системе, которая управляет подобными автоматизированными заводами (MES – Manufacturing Execution System). Сразу оговорюсь, что я не являюсь специалистом в области IT, образование у меня физико-техническое, работал я в основном технологом, поэтому с MES работал только в качестве пользователя. Основная идея MES – обеспечение качества путем уменьшения вероятности человеческих ошибок. Про контроль качества я как-нибудь напишу отдельную статью, а пока остановимся на MES.
Итак, MES делает (или позволяет делать) следующее:
Полупроводниковое производство на сегодняшний день автоматизировано полностью – в принципе, если с одного конца фабрики вставить кассету с чистыми кремниевыми пластинами, то где-то через три месяца (если все пойдет без сбоев) с другого конца вы получите кассету с рабочими процессорами, при этом ни кассету, ни пластины руками никто не трогал.
Работа технолога, который разрабатывает процессы, превратилась из ковыряния в установке и слежения за всеми параметрами процесса в работу клерка за компьютером: доступ к установке удаленный, пишется новый рецепт и к нему инструкции, как его использовать; как только появляется окно в производстве (а оно может появится и в два часа ночи – производство-то круглосуточное) операторы (да, они все-таки есть, даже на полностью автоматизированном производстве) обрабатывают и измеряют пластину в соответствии с инструкциями и высылают отчет. Технолог читает отчет, делает новый рецепт (а если результаты получились хорошие, то вносит изменения в техпроцесс) и так до бесконечности, пока продукт не снимут с производства. За время работы на GlobalFoundries я в чистом производственном помещении появлялся раз в год, чтобы не забыть, как установки выглядят. При работе на неавтоматизированном производстве (или в научном институте, как IМEC) в чистую часть ходить приходится почти каждый день.
В реальности, конечно, даже на полностью автоматизированном производстве вмешательство человека иногда требуется – что-то идет не так, машины ломаются, исходные материалы бывают со скрытыми дефектами и т.д. Ну и, естественно, огромное количество людей необходимо, чтобы такое «безлюдное» производство функционировало – инженеры-технологи, разрабатывающие и улучшающие техпроцесс; сервисные инженеры, следящие за оборудованием (как свои, так и от компании-производителя оборудования); инженеры и техники по эксплуатации чистых помещений (обслуживание вентиляции, кондиционирования, подачи химикатов и т.д.), IT специалисты, занимающиеся поддержкой и совершенствованием MES, административный персонал и так далее и так далее… Так что, как ни парадоксально, безлюдное производство требует довольно большого количества людей для своего функционирования. Так, на GlobalFoundries в Дрездене работает более 3 000 человек.
Автоматизация и роботизация, о которой много говорят последнее время, давно свершилась на полупроводниковом производстве. В полностью автоматическом режиме работают все современные крупные фабрики на одной из которых был сделан процессор вашего смартфона/ноутбука/компьютера. Но это совсем не привело к исчезновению людей на таких фабриках – просто они из производственных помещений переместились в офисы (и, должен сказать, часть романтики при этом ушла).
Автор: Денис Шамирян
Источник [9]
Сайт-источник PVSM.RU: https://www.pvsm.ru
Путь до страницы источника: https://www.pvsm.ru/avtomatizatsiya/280261
Ссылки в тексте:
[1] супермаркеты без кассиров: https://geektimes.com/post/299611/
[2] заставить роботов выпускать достаточное количество автомобилей в неделю: https://geektimes.com/post/300123/
[3] роботизированную линию по производству автомобилей: https://geektimes.com/post/300669/
[4] автоматизирует доставку корреспонденции при помощи дронов.: https://geektimes.com/post/299603/
[5] безусловным основным доходом: https://geektimes.com/post/300133/
[6] Как известно: http://planecrashinfo.com/cause.htm
[7] HEPA: https://en.wikipedia.org/wiki/HEPA
[8] стоимость одного чипа будет совсем небольшая: https://geektimes.com/post/300709/
[9] Источник: https://geektimes.com/post/300877/?utm_campaign=300877
Нажмите здесь для печати.