預(yù)測性維護(hù)可以減少設(shè)備停機(jī)時間，同時提高晶圓廠效率。

預(yù)測性維護(hù)基于來自半導(dǎo)體制造設(shè)備的更多更準(zhǔn)確的傳感器數(shù)據(jù)，與定期維護(hù)相比，可以減少晶圓廠的停機(jī)時間并最終降低成本。但是，實(shí)施這種方法并非易事，它可能會破壞本身已設(shè)計(jì)好的制造流程。

維護(hù)速度不夠快可能會導(dǎo)致晶圓或工藝工具本身損壞。在實(shí)施及時維護(hù)策略的情況下，結(jié)果通常是更高的整體設(shè)備效率 （OEE）、更長的維護(hù)活動間隔時間以及防止由于設(shè)備組件故障而導(dǎo)致的產(chǎn)量偏差。

采用這種方法的速度比預(yù)期的要慢。通信標(biāo)準(zhǔn)仍然存在差距，晶圓廠仍然擔(dān)心由于技術(shù)、方法或流程的變化而導(dǎo)致代價(jià)高昂的停機(jī)。這些變化還需要在分析和培訓(xùn)方面進(jìn)行前期投資，因此高層管理人員的支持至關(guān)重要，并且通常基于有據(jù)可查的投資回報(bào)。

實(shí)時和預(yù)防性維護(hù)策略

工業(yè)4.0或智能制造一直專注于通過利用制造生成的數(shù)據(jù)來提高工廠績效和生產(chǎn)敏捷性來優(yōu)化產(chǎn)量和質(zhì)量。將分析應(yīng)用于制造設(shè)備維護(hù)是一項(xiàng)新的補(bǔ)充，并且具有真正的前景。

為了防止可能影響晶圓廠產(chǎn)能的意外設(shè)備故障，工具所有者遵循預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃。隨著工廠控制和自動化系統(tǒng)的互聯(lián)程度以及傳感器（振動、聲音、圖像）的使用增加，現(xiàn)在可以主動預(yù)測或檢測故障組件或過程工具。

預(yù)測方法基本上可以預(yù)測設(shè)備即將發(fā)生的故障。這與實(shí)時方法不同，實(shí)時方法旨在檢測故障的第一個實(shí)例。兩者都是有效方法，可以顯著提高定期維護(hù)例程的投資回報(bào)率。

要實(shí)施預(yù)測性或?qū)崟r維護(hù)方法，工程師需要了解可用的測量數(shù)據(jù)，確定哪些參數(shù)最相關(guān)，并實(shí)施改進(jìn)的維護(hù)策略。此外，工程師需要展示晶圓廠產(chǎn)能指標(biāo)、產(chǎn)品良率和質(zhì)量方面的優(yōu)勢。經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確，投資回報(bào)率的理由就越有說服力。

“缺少的專業(yè)知識水平之一是從財(cái)務(wù)角度了解工廠運(yùn)營所需的專業(yè)知識，”O(jiān)nto Innovation軟件產(chǎn)品管理總監(jiān)Mike McIntyre說：“運(yùn)營財(cái)務(wù)——就流程成本、維護(hù)成本以及通過該流程的材料的價(jià)值而言——是在確定如何最好地優(yōu)化工廠時必須考慮的另一個因素”

盡管如此，通過明智地使用預(yù)測性維護(hù)，工程師可以就何時以及如何維護(hù)晶圓廠設(shè)備做出更明智的決策。這樣做需要工程投資，而這種投資可能會阻礙采用率。

工具維護(hù)實(shí)踐、標(biāo)準(zhǔn)

了解當(dāng)前的維護(hù)實(shí)踐為了解預(yù)測性或?qū)崟r維護(hù)的理想集成解決方案的可能性和潛在障礙提供了一個起點(diǎn)。

在與客戶的對話中，我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)客戶都有某種固定時間表的預(yù)防性維護(hù)系統(tǒng)。換句話說，他們以某個預(yù)定的時間間隔更換硬件，無論硬件是否需要更換，Galaxy半導(dǎo)體首席執(zhí)行官Wes Smith說。“時間間隔通常基于對歷史模式的一些分析，但經(jīng)驗(yàn)豐富的維護(hù)團(tuán)隊(duì)會進(jìn)行更有根據(jù)的統(tǒng)計(jì)。有時，產(chǎn)品計(jì)量是維護(hù)的觸發(fā)因素。當(dāng)產(chǎn)品測量開始漂移時，通常會根據(jù)當(dāng)?shù)貓F(tuán)隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)安排維護(hù)活動。”

晶圓廠和子晶圓廠設(shè)備中的傳感器涉及可測量的環(huán)境、電氣和物理參數(shù)，包括溫度、氣體流速、化學(xué)、光學(xué)或振動傳感器。傳感器數(shù)據(jù)通常使用現(xiàn)有的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行收集和通信。

“設(shè)備連接、數(shù)據(jù)收集和晶圓廠運(yùn)營都有標(biāo)準(zhǔn)。這些為預(yù)測性維護(hù)解決方案提供了一致的方法，”Synopsys產(chǎn)品營銷總監(jiān)Anjaneya Thakar說。“但是，我不知道預(yù)測性維護(hù)的任何具體標(biāo)準(zhǔn)。”

“幾乎所有傳感器數(shù)據(jù)都可以通過符合SEMI標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議（HSMS，SECS，GEM，EDA / Interface-A，OPC，PLC，MQTT，GRPC）甚至定制設(shè)備驅(qū)動程序的CIM接口或驅(qū)動程序從設(shè)備或傳感器獲得，”PDF Solutions全球批量制造解決方案晶圓廠應(yīng)用解決方案經(jīng)理Jon Holt說。“然而，據(jù)我所知，預(yù)測性維護(hù)策略和執(zhí)行沒有真正詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)。間接地，有SEMI E10標(biāo)準(zhǔn)（設(shè)備可靠性，可用性，可維護(hù)性和利用率的定義和測量規(guī)范）;SEMI E58（自動化可靠性、可用性和可維護(hù)性標(biāo)準(zhǔn)：概念、行為和服務(wù)）；和 ISA-95 3 級（工廠自動化）。”

行業(yè)差距

雖然現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)提供了對設(shè)備信息的訪問權(quán)限，但仍有許多工作要做，特別是在將子晶圓廠設(shè)備數(shù)據(jù)與晶圓廠設(shè)備數(shù)據(jù)連接方面。

“我們?nèi)狈碜栽S多關(guān)鍵工具組件的適當(dāng)跟蹤數(shù)據(jù)，”GlobalFoundries工程師Boyd Finlay說。我們需要“傳感器頻率響應(yīng)”來測量“完整”奈奎斯特信號以進(jìn)行測量和控制。一個非常基本的例子是，除非我們部署第三方傳感器，否則我們不會在任何節(jié)點(diǎn)看到真正的“機(jī)械漂移”。這種方法成本高昂。因此，我們還沒有為PdM（預(yù)測性維護(hù)）做好準(zhǔn)備。

問題與無縫集成的通信協(xié)議有關(guān)，這是目前沒有標(biāo)準(zhǔn)的領(lǐng)域。

“主要工具和腔室是加工的地方，”Finlay說。“輔助工具描述了這些工具的子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)通常位于潔凈室或子晶圓廠的其他地方 - 例如，泵、減排、冷卻器。輔助工具和主工具/腔室之間的通信總線尚未標(biāo)準(zhǔn)化。我們沒有在輔助套件上獲得關(guān)鍵故障模式的適當(dāng)液位跟蹤數(shù)據(jù)，并且沒有通過主機(jī)設(shè)備接口信號上下連接的主要工具/腔室進(jìn)行集成，即過程啟動/停止、配方步驟 1、2、3、傳感器 A、B、C 等。”

預(yù)測性維護(hù)示例

為了最輕松地進(jìn)行預(yù)測性或?qū)崟r維護(hù)，工程團(tuán)隊(duì)可以尋找單個參數(shù)的行為變化。例如，考慮一下機(jī)械臂將晶圓從一個位置移動到另一個位置時的振動。傳感器數(shù)據(jù)可用于設(shè)置基線振動水平，趨勢分析可提供指導(dǎo)維護(hù)決策的可操作信息。

“機(jī)器人搬運(yùn)是該過程非常關(guān)鍵的部分，它會影響加工晶圓的質(zhì)量。機(jī)器人手臂包含平臺、控制器、手臂、驅(qū)動器、末端執(zhí)行器、傳感器和電機(jī)、軸、軸承和其他硬件，”CyberOptics高級項(xiàng)目經(jīng)理Vidya Vijay說，“機(jī)器人手臂至少有九個部件可能需要更換，異常振動可能表明特定部件出現(xiàn)故障。”

電氣測量在晶圓廠設(shè)備中很常見，包括功率、電流和接觸電阻。

Vijay說：“在電鍍應(yīng)用中，當(dāng)環(huán)是新的時，可以記錄能夠電鍍晶圓的引腳的接觸電阻的測量值，并在加工過這么多批晶圓后使用。這可以清楚地了解何時必須清潔或更換接觸環(huán)。當(dāng)手指涂上電鍍化學(xué)品時，電阻增加。電阻可以使用WaferSense自動電阻傳感器（ARS）進(jìn)行測量。”

真空系統(tǒng)在晶圓制造工廠的沉積、蝕刻和離子注入工具中無處不在。檢測腔室中的真空泄漏和即將發(fā)生的真空泵故障是工具所有者、工藝工程師和技術(shù)人員最關(guān)心的問題。

“預(yù)測性維護(hù)更為普遍的一個領(lǐng)域是真空泵。我們已經(jīng)與不止一家真空硬件供應(yīng)商的代表進(jìn)行了交談，他們向我們描述了他們的預(yù)測性維護(hù)方法，”Galaxy的 Smith 說。“典型的配置涉及一系列麥克風(fēng)和復(fù)雜的信號處理算法。在某些情況下，這些通過測量維持預(yù)期真空度所需的電流消耗的電傳感器來增強(qiáng)。”

真空吸塵器必不可少的設(shè)備供應(yīng)商一直在積極努力為其客戶提供預(yù)測性維護(hù)解決方案。2022 年先進(jìn)半導(dǎo)體制造會議的兩篇論文提供了成功案例，他們強(qiáng)調(diào)了從計(jì)劃維護(hù)轉(zhuǎn)向預(yù)防性維護(hù)的投資回報(bào)率。

Edwards Vacuum 的作者分享了他們對低溫泵預(yù)測性維護(hù)實(shí)踐的策略。這些泵支持工藝腔室中的環(huán)境，而有故障的泵會導(dǎo)致這些腔室受到污染。如果泵意外發(fā)生故障，與計(jì)劃內(nèi)服務(wù)事件相比，計(jì)劃外事件的成本很高。具體而言，作者指出：

維修成本：計(jì)劃外停機(jī)事件幾乎總是會導(dǎo)致需要更換的零件更多。

計(jì)劃外停機(jī)時間：計(jì)劃外停機(jī)時間總是需要更長的時間才能恢復(fù)，例如，由于需要清潔腔室。

工具重新認(rèn)證：這可能需要相當(dāng)長的時間，并包括額外的計(jì)量成本。

晶圓成本：每個先進(jìn)節(jié)點(diǎn)晶圓可能要花費(fèi)數(shù)千美元。

Edwards團(tuán)隊(duì)描述了使用基于100多個傳感器數(shù)據(jù)集的多個變量，包括靜態(tài)和時間序列數(shù)據(jù)。為了標(biāo)記阻礙性故障，可以使用基于規(guī)則或基于統(tǒng)計(jì)的算法，并通過主題專家的數(shù)據(jù)審查來增強(qiáng)這些算法。兩種分析方法都使用了多個變量。

PSK工程師分享了他們對干式帶鋼機(jī)真空泄漏的實(shí)時檢測技術(shù)。該設(shè)備使用遠(yuǎn)程等離子體源和O2/N2從晶圓中去除光刻膠實(shí)時檢測泄漏的動機(jī)是提高生產(chǎn)率，因?yàn)闄z查泄漏的傳統(tǒng)方法要求將帶鋼工具從生產(chǎn)模式中取出，直接影響OEE。這種方法還會改變工藝氣體成分，這可能會產(chǎn)生不希望的處理結(jié)果。工程團(tuán)隊(duì)選擇了以下與真空泄漏相關(guān)的參數(shù) — 泵送/排氣時間、自動壓力控制 （APC） 閥的角度位置和腔室底部壓力。通過系統(tǒng)地收集了 500 多次運(yùn)行的數(shù)據(jù)，他們專門研究了 APC 角度與腔室溫度的關(guān)系，并成功展示了從所選參數(shù)檢測泄漏的實(shí)時能力。

預(yù)測性維護(hù)的采用率

“使用分析進(jìn)行維護(hù)是使用這些技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)量、性能和計(jì)量的背后。在這個領(lǐng)域，還有很多探索正在進(jìn)行，”O(jiān)nto的McIntyre說。為了從探索到采用，他進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)，工廠團(tuán)隊(duì)需要看到“在同行評審的論壇上記錄的內(nèi)容和實(shí)際的成本節(jié)省。”

擺脫傳統(tǒng)的定期維護(hù)和實(shí)施預(yù)防性維護(hù)需要管理層的承諾和工程投資。要完全啟用，工程師需要訪問傳感器數(shù)據(jù)，靈活地使用用于集成目的的數(shù)據(jù)格式，以及各種第三方傳感器與監(jiān)控子晶圓廠和晶圓廠中此類設(shè)備數(shù)據(jù)的系統(tǒng)之間的通信新標(biāo)準(zhǔn)。

遺憾的是，提供來自某些設(shè)備或傳感器專有格式的數(shù)據(jù)并不能促進(jìn)各種設(shè)備和傳感器供應(yīng)商之間的數(shù)據(jù)集成。晶圓廠將擁有來自許多供應(yīng)商的設(shè)備，并投資于第三方傳感器。

“我們?yōu)閿?shù)據(jù)分析提供了靈活的選擇。我們擁有以專有軟件格式以及最簡單的CSV格式提供的整個數(shù)據(jù)集，”CyberOptics的Vijay說。“我們還提供將傳感器輸出直接集成到工具GUI中的選項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)自動維護(hù)程序。”

GlobalFoundries 的Finlay指出了輔助工具和主要工藝工具之間的溝通差距。“這些差距可能會使晶圓廠維護(hù)/控制成熟度減緩大約五到八年，”他說。“通過解決這些問題，我們可以提高成熟產(chǎn)量和更長的凈制造時間，因?yàn)樗兄诤饬恳钥煽啃詾?a target="_blank">中心的維護(hù)策略的'必需'參數(shù)。”

為了增加預(yù)測性維護(hù)的采用，PDF Solutions的Holt強(qiáng)調(diào)了以下幾個方面：

對勞動力進(jìn)行能力再教育。

工業(yè)4.0基礎(chǔ)設(shè)施的采用和部署（能夠在工具或邊緣訓(xùn)練和部署模型）。

不會使保修或支持合同無效的 OEM 支持。

廣泛分享成功案例。

然后，將維護(hù)需求與執(zhí)行維護(hù)的必要信息聯(lián)系起來。

預(yù)測性維護(hù)提供了一種在潛在故障發(fā)生之前識別它的方法。它還提供有關(guān)在特定時間范圍內(nèi)發(fā)生潛在故障的概率的信息。這本身就是一個巨大的價(jià)值，但它只是過程的一部分，西門子數(shù)字工業(yè)軟件服務(wù)生命周期管理總監(jiān)Yishai Barak說。“一旦你意識到潛在的問題，你如何確保你的行動計(jì)劃以最有效的方式完成？服務(wù)生命周期管理通過將服務(wù)視為產(chǎn)品生命周期管理的一部分并與預(yù)測性維護(hù)解決方案集成來提供答案。預(yù)測性維護(hù)可幫助您完成識別部分，而服務(wù)生命周期管理則可以幫助您解決問題。”

結(jié)論

為了改善晶圓廠的維護(hù)實(shí)踐，工程團(tuán)隊(duì)可以使用在工藝設(shè)備內(nèi)部和外部采集的傳感器數(shù)據(jù)。已經(jīng)演示了將分析決策應(yīng)用于定期維護(hù)。在向預(yù)測/實(shí)時維護(hù)技術(shù)的轉(zhuǎn)變中，設(shè)備供應(yīng)商正在積極研究此類方法，以幫助其客戶充分利用晶圓廠設(shè)備。

然而，正如GlobalFoundries的Finlay所指出的那樣，由于通信標(biāo)準(zhǔn)的差距，采用速度正在放緩，而通信標(biāo)準(zhǔn)是在大型工廠中實(shí)現(xiàn)集成預(yù)測方法所必需的。但是，憑借可證明的投資回報(bào)率，人們可以期望在設(shè)備或工藝步驟的基礎(chǔ)上采用更多。

“預(yù)測性維護(hù)是一種解決方案，必須應(yīng)用于正確的問題，以便產(chǎn)生足夠的投資回報(bào)率來推動所需的行為改變，”Advantest創(chuàng)新主管Don Ong說。“它涉及擁有識別正確問題或機(jī)會的技能和能力，然后使用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)執(zhí)行。”

審核編輯：郭婷