La importancia del monitoreo del estado de las bombas en la fabricación de semiconductores

Jun 09, 2023

La fabricación de semiconductores es parte de la industria mundial de semiconductores multimillonaria. Este sector de fabricación produce dispositivos semiconductores mediante pasos de procesamiento como fotolitografía, grabado y deposición, entre otros. El rendimiento de la producción, que se ve más afectado por el tiempo de actividad del equipo y la calidad del producto, es uno de los indicadores clave de desempeño para los fabricantes. Por lo tanto, es comprensible que se preste atención a monitorear la condición y el desempeño del proceso de equipos de alto precio, como los equipos de litografía, que pueden costar 100 millones de dólares o más. Si bien estas máquinas son críticas y costosas de mantener, es importante reconocer también el papel clave que desempeñan las bombas en las instalaciones de fabricación de semiconductores y, por lo tanto, el gran impacto negativo que su falla puede tener en la productividad, los recursos y las finanzas de una empresa.

Las bombas turbomoleculares (turbo) y las bombas criogénicas son equipos de procesamiento de semiconductores críticos para una sala limpia. Las bombas de vacío seco, entre otros sistemas, conforman la subfabrica, que proporciona sistemas de vacío y reducción para soportar el equipo de procesamiento principal en el piso superior de la sala limpia. Es común en las plantas de fabricación de semiconductores (fabs) tener miles de bombas de vacío seco, así como cientos o incluso miles de turbobombas.

Debido a la gran cantidad de bombas utilizadas en esta operación de fabricación, mantener su condición es una tarea desafiante. Una instalación de semiconductores normalmente funciona las 24 horas del día, los siete días de la semana. Por lo tanto, un problema con la bomba seca provocaría una falla general del equipo, lo que provocaría un tiempo de inactividad en la producción de obleas.

No es raro que una hora de inactividad no planificada le cueste a la fábrica cientos de miles de dólares.1 Aunque se han implementado esfuerzos para monitorear el estado de las bombas en la fabricación de semiconductores, en muchos casos, el mantenimiento reactivo y el funcionamiento hasta el fallo son estrategias comunes. utilizado para miles de bombas en fábricas industriales, dejando espacio para fallas inesperadas.

Esto resalta el potencial de aprovechar los avances en detección y análisis para aplicar tecnología de monitoreo de condición para bombas utilizadas en la fabricación de semiconductores para un enfoque más predictivo y proactivo.

Los modos de falla comunes para las bombas de vacío seco utilizadas en la subfabrica incluyen la ingestión repentina de depósitos, bloqueos de la presión de escape, agarrotamiento de la bomba causado por la deposición y la degradación de los componentes de la bomba que resultan en una pérdida excesiva de rendimiento.2 Los amperios aumentan y disminuyen el flujo dentro de las bombas. El consumo de corriente en amperios es la señal más común para monitorear bombas de vacío secas. Otras señales utilizadas para el monitoreo incluyen vibración, flujo de gas y presión. También es común recopilar datos de contexto adicionales relacionados con la velocidad de la bomba (rotaciones por minuto [rpm]), así como otra información de proceso y receta.

En comparación con las bombas de vacío secas, las bombas turbo funcionan a rpm rápidas, como 30 000 rpm, y tienen un conjunto diferente de modos de falla. Los modos de falla de la turbobomba incluyen falla del motor, falla del cojinete y palas rotas o dobladas en el conjunto del rotor.

Los cojinetes y el motor se pueden reemplazar, pero un rotor dañado probablemente requeriría el reemplazo de toda la bomba. Estas fallas de la turbobomba provocan un mayor consumo de corriente, vibraciones más frecuentes, sonidos anormales y temperatura más alta; por lo tanto, es común medir la vibración, la corriente y la temperatura.

Un desafío clave con el monitoreo predictivo para aplicaciones de bombas semiconductoras es establecer el sistema de recopilación de datos para monitorear varias bombas subfabricadas y de sala limpia, incluidas bombas de vacío secas, bombas turbo y bombas criogénicas, entre otras. Este sistema requiere sensores, infraestructura y protocolos adecuados no solo para capturar señales de corriente, presión, caudal, temperatura y vibración, sino también para integrar esta recopilación de datos en la estructura de recopilación de datos existente para otros equipos de procesamiento de sala limpia involucrados en el grabado y la deposición. , litografía y más. Esta integración es necesaria ya que la información contextual sobre los datos del proceso y la receta respalda el análisis adecuado de los datos de monitoreo del estado de la bomba y permite una evaluación más precisa del estado de salud de la bomba.

Otro desafío central implica el análisis adecuado de los datos de las bombas. Esto se debe a la complejidad general del proceso y a la variedad de señales diferentes que se analizan juntas, como presión, caudal, corriente, vibración y temperatura. Aunque existe trabajo sobre el uso de métodos estadísticos y métodos de aprendizaje automático para el monitoreo de bombas en aplicaciones de semiconductores, esta investigación está menos establecida que la de bombas centrífugas y otros tipos utilizados en diferentes industrias.

Todavía quedan muchos desafíos no resueltos que deben resolverse para lograr una adopción generalizada del monitoreo predictivo en esta industria. Un camino recomendado a seguir para garantizar que las fábricas de semiconductores logren una implementación universal es el siguiente:

Con contribuciones de fábricas/usuarios finales, fabricantes de equipos originales de bombas y fabricantes de herramientas/equipos, formule una lista de señales clave requeridas para cada tipo de bomba.

Las organizaciones industriales y de normalización deben trabajar juntas para establecer una estrategia acordada de recopilación de datos, que incluya protocolos de comunicación, tasas de muestreo y formas en que los datos pueden integrarse en otros sistemas de recopilación de datos de equipos y fabricación de semiconductores.

A través de consorcios industriales y proyectos piloto financiados de forma independiente, desarrollar y validar algoritmos de monitoreo del estado de las bombas utilizando diversos métodos estadísticos y/o de aprendizaje automático.

Cuando sea posible, establecer un conjunto de datos de referencia o de referencia para respaldar la investigación y el desarrollo de algoritmos de monitoreo de condición más sólidos para aplicaciones de bombas semiconductoras.

Desarrollar una hoja de ruta para ampliar la solución a miles de bombas, incluida la definición de las funciones de los fabricantes de equipos originales (OEM) de bombas, las fábricas/usuarios finales, los fabricantes de herramientas/equipos y los proveedores de tecnología.

atlascopcogroup.com/en/innovation/innovation-stories/2016/pumping-for-semiconductor-success

core.ac.uk/download/pdf/297011834.pdf

David Siegel, Ph. D., es el director de tecnología de Predictronics. Puede comunicarse con él en [email protected]. Para obtener más información, visite predictronics.com.