半导体设备预测性维修技术的运用探究

2024-12-31王友旺

中国新通信 2024年12期

摘要：在半导体生产制造中，设备的故障诊断与维护是一个重要环节，其影响因素众多，例如工艺、设备、环境等。有研究表明，设备故障的95%～100%发生在生产运行中，只有5%～15%发生在设备运行前。可见，设备故障具有突发性，对生产影响极大。预测性维修技术的核心是通过监测、诊断、评估等手段获取设备的状态信息，以避免或减少设备故障带来的损失。实施预测性维修技术可以在不影响正常生产的前提下对设备进行维护保养，从而使设备保持最佳的工作状态，延长使用寿命。在半导体生产制造过程中，预测性维修技术具有广泛的应用前景。

关键词：半导体设备；预测性；维修技术

一、引言

半导体设备的预测性维修（Predicted Maintenance， PdM）是一种利用设备的实时监测数据进行预测，并据此采取维修措施的技术。利用故障诊断技术（如：故障树分析法）和对设备运行数据的深入分析，提前发现潜在故障，预测性维修（MPM）能够避免由于设备故障而造成的巨大经济损失。预测性维修（MPM）技术被广泛应用于机械、航空航天、汽车、电子、化工、核电等众多行业，该技术对于半导体设备的维护同样具有重要意义。

二、相关概念分析

（一）半导体设备

半导体设备预测性维修可以提高半导体设备的可靠性，减少维修次数，减少停机时间，并减少维修成本。预测性维修的核心是在设备使用期间通过技术和科学方法预测设备故障发生的时间。它是一种主动式的维护策略，基于对设备运行数据的分析，以最大限度地提高设备寿命。半导体设备预测性维修，也称“预防性维修”或“预知性维修”，是一种能提前预测设备故障，在故障发生之前进行维修的理念。在半导体设备领域，设备故障率较高，设备在运行过程中会发生各种故障，一旦发生故障便可能导致生产中断或停机，造成巨大的经济损失。在半导体设备中，很多设备的维护保养周期较长，如内存、 GPU等。如果这些设备出现故障，将影响芯片产品的正常生产，造成巨大的经济损失。半导体设备维修费用高、效率低、维护难度大等问题，严重制约了半导体产业的发展。因此，有效地进行预测性维修研究已成为我国半导体产业中的一个重要课题[1]。

（二）预测性维修

预测性维修的特点是在故障发生之前进行维修，如果能够在故障产生之前及时发现并修复，就能够极大地减少损失。预防性维修在国外已经广泛应用于工业设备领域和电力系统中。国外预测性维修的典型应用是日本丰田汽车公司，早在20世纪80年代初就提出了预测性维修思想和概念。丰田公司开发了一种新型的汽车诊断系统（CAM：Control Automation Management）。CAM系统能对汽车行驶中的各种状态进行实时监测和诊断，从而采取相应措施避免汽车在行驶中发生碰撞等危险情况。日本丰田公司预测性维修的具体做法是：利用对车辆运行数据进行采集和分析，掌握车辆的运行状况和性能参数；当车辆出现故障时，将故障信息及时地传递到维修人员手中。

三、半导体设备性能稳定对半导体芯片的影响

半导体设备性能稳定的重要性不言而喻，首先半导体设备的核心部件是芯片，芯片是由成千上万个晶体管组成的，晶体管的制作过程包括光刻、刻蚀、离子注入等工艺，其中光刻工艺是最难也最复杂的工艺，从光刻设备到半导体制造设备都具有极高的技术要求，而光刻设备也被称为“最难”的工艺之一，光刻设备在生产过程中扮演着重要的角色。光刻技术可以分为三种：平涂法、蚀刻法和薄膜沉积法。不同的光刻技术对半导体芯片性能会产生不同的影响。

在半导体设备的使用过程中，半导体芯片的运行情况直接决定着设备的运行状况，进而影响到整个半导体产业链的发展。所以，在使用半导体设备时，需要充分考虑其性能稳定。首先，要确保半导体设备具备一定的稳定性。如果其性能不稳定，则会导致整个半导体产业链出现问题，从而影响到整个电子产业的发展。例如，在对半导体芯片进行运行时，需要保证半导体设备的稳定性，如果其性能不稳定，则会导致芯片运行速度降低，进而影响到整个电子产业的发展。其次，要保证半导体设备具有较强的抗干扰性。在对电子产业进行发展时，需要充分考虑到电子产业自身特点。如果其发展方向出现问题或者是其本身出现问题的话，则会导致整个电子产业发展速度下降。总之，要想保证半导体设备的性能稳定和抗干扰性强的话，需要对影响其性能稳定和抗干扰性强的因素进行充分考虑和分析。

半导体设备精度越高，半导体芯片的良品率越高，这对半导体芯片厂商和客户来说都是有利的。而从客户角度出发，为了达到更高的良品率，往往会对半导体设备的精度提出更高要求，这样会带来更高的成本。但是由于半导体设备精度的提高，也会对其使用寿命带来影响。对于普通的半导体芯片厂商来说，一般会选择性能较好的设备供应商，这样才能保证其使用寿命。对于一些规模较大、有实力的芯片厂商来说，其研发实力和资金投入也更大。因此芯片厂商在购买设备时往往会选择性能更好的设备，但这也带来了设备精度过高的问题。因为精度过高，就意味着设备对芯片厂商自身成本和技术要求都更高，这可能会导致设备使用寿命下降。以光刻机为例，光刻机的精度直接决定了芯片产品在图形和边缘上的质量。然而，光刻机本身是一种精密仪器，它主要是用来制造一些复杂形状的半导体芯片产品。在半导体设备使用过程中，如果光刻机精度过高会导致产品无法正常运行或者是出现严重问题[2]。

四、半导体设备预测性维修的必要性

（一）提高生产效率

根据日本企业的调查，其原因主要有两个：一是通过预测性维修可以提前发现故障，使设备停机时间减少，从而降低成本；二是通过预测性维修可以改善设备的作业状况，提高生产效率。采用预测性维修技术后，由于设备的故障率减少了，停机时间也减少了。其主要原因有三个：一是设备运行状况良好；二是设备没有发生严重故障；三是设备运行时间增加了。而这些因素，对于半导体制造企业来说都是至关重要的。另外，如果维修人员能够在生产之前就发现潜在的问题，就能避免因故障停机而导致的损失。因此，预测性维修技术能够显著地提高企业的生产效率。

（二）减少维修成本

通过实施预测性维修，设备发生故障的概率将会大大降低。设备的维修成本可以直接被视为生产成本的一部分，因为设备的维修费用与生产成本密切相关。例如，在一个月内生产3000个零部件，如果采用了预测性维修技术，每个零部件的平均维修费用将从50美元降到0.11美元，这将直接降低生产成本。如果将预测性维修技术应用于整个生产过程中，每个零部件的平均维修费用将降低至0.35美元[3]。

（三）创造附加价值

当企业的设备与系统需要预测性维护时，它能够实现其他设备和系统的价值。这将带来许多附加价值，包括：1.降低停机时间。企业将通过预测性维护功能优化其业务流程，减少停机时间并提高业务效率。2.更好地提升质量。预测性维护功能能够确保产品和服务的高质量。3.降低成本。如果设备或系统具有预测性维护功能，企业可以通过减少维护成本来提高盈利能力。4.增加收入，简化运营。预测性维护可以为企业带来更多的机会，例如降低运营成本、提高生产率、降低服务风险并减少客户投诉等，这些都将对企业产生积极影响。

五、半导体设备预测性维修技术要点

（一）半导体设备状态监测

半导体设备状态监测的目的是确保半导体设备处于最佳状态，降低故障率和提高生产率。半导体设备状态监测的内容包括：运行中的振动、温度、压力、流量、速度、电流、电压等参数，以及部件的磨损状态和运行时间。

在半导体设备运行过程中，振动是最常见的故障征兆之一。然而，由于振动信号在传播过程中会受到许多外界干扰因素的影响，导致难以在分析前识别振动信号，因此无法有效监测振动。在半导体设备状态监测中，要实现故障的早期诊断，必须采用先进的传感器和信号处理技术。然而，由于半导体设备内部结构复杂，元器件繁多，干扰因素众多，因此采用先进的传感器和信号处理技术对其进行监测和诊断是十分困难的[4]。

（二）故障诊断

故障诊断是一种基于物理或化学特性的诊断方法，它可以预测故障或早期检测设备的退化。这是一种非常广泛的技术，它涉及许多领域，包括对设备状态进行全面测试、诊断、分析和评估。

在设备早期发现并消除故障可以降低维修成本，提高设备性能和可靠性。这种技术是一个系统，涉及各种传感器、工具和方法，可以帮助设备运行人员更好地了解和监测设备的性能。故障诊断是预测性维修技术的核心部分，因为通过使用测量工具来确定设备是否存在故障，并监测运行模式的变化。通过观察振动、声音、温度、电流或其他信号，可以推断设备的健康状况和性能。根据这些信息，可以开发出一种或多种诊断方法来确定潜在问题的严重程度和可能发生故障的时间。

（三）预测性维修

通过对设备运行状态的数据分析，预知设备故障发生的时间和位置，提前进行维护和保养，达到避免故障发生、节约维修费用的目的。

半导体设备的预测性维修可以分为：设备健康监测、状态监测、故障预测分析、维修决策四个阶段。

设备健康监测：是通过对设备的振动、温度等数据进行采集，实时对设备运行状态进行监测。可以通过对监测数据的分析，判断出设备是否存在故障和故障的原因。

状态监测：是指对设备运行状态进行连续监测，通过对传感器数据采集和分析，判断出设备是否存在故障。

故障预测分析：是指通过采集、分析设备运行数据，采用数据挖掘、人工智能等技术手段，对设备运行状态进行分析和预测。从而达到避免或减少设备故障发生，节约维修费用的目的[5]。

维修决策：是指根据监测结果，结合日常维护记录和相关历史数据资料进行分析，确定最合理的维修方案。

（四）状态评估

半导体设备的状态评估是在设备运行的整个生命周期内，通过对设备的运行状态进行实时监测和分析，掌握设备状态的发展趋势，并基于历史数据对未来的运行状况做出合理预测，从而为设备管理决策提供有效依据。

通过监测和分析，可以判断出设备是否处于正常工作状态。另外，还可以根据历史数据对未来运行状态进行预测。半导体设备预测性维修技术，是以系统性能退化规律为基础，在使用状态监测系统和分析数据的基础上，综合利用计算机技术、信息处理技术、机械传动控制技术、传感器技术和网络通信技术等先进技术手段，对设备运行状况进行监测与分析。在半导体设备维修管理中采用预测性维修技术能够有效提高设备管理效率、减少维修费用、保证产品质量并降低环境污染。在半导体行业中，预测性维修是一种重要的维修管理手段，被广泛应用于机械制造行业、航空航天等领域[6]。

（五）维修决策

当设备的运行状态接近或达到性能指标时，就需要实施预防性维修。根据设备的状态和参数，制定合理的维修计划，确定合适的维修周期、维修方式和维修间隔期。

对于半导体设备来说，其主要失效形式包括疲劳、磨损、腐蚀等。从设备故障管理角度来看，其主要内容包括设备运行状态、故障预测结果、故障原因分析等。预防性维修工作是在设备失效前进行的，其目的是在保证设备稳定运行的基础上，延长设备使用寿命。预防性维修计划的制定需要考虑设备的可靠性和安全性、运行成本、维修成本等因素，根据设备实际情况确定最佳维修间隔期。对于半导体设备来说，其故障主要包括工艺故障、工艺参数波动、人为操作失误、零部件故障。上述四类故障中，工艺故障占比最大，因此可以把工艺故障作为预测结果，作为确定预防性维修周期的依据。

（六）维护指导

半导体设备的预测性维护应在设备正常运行之前完成。根据预测性维修的要求，半导体设备维护应在其正常运行期间进行。这意味着，在设备运行期间，如果发现故障，可以通过检测和分析来诊断故障的原因并采取相应的措施。如果没有故障，则应进行常规维护以确保设备正常运行。

由于半导体设备预测性维修还处于初步发展阶段，在实施过程中仍存在一些问题和困难。例如，如何确定监测系统的类型、选择合适的监测方法以及如何获取传感器信号等。在实施过程中还需要解决一些问题：1.如何在生产环境下对半导体设备进行监测，同时保证其正常运行；2.如何在生产环境下对半导体设备进行故障诊断，确定故障发生部位和严重程度；3.如何将监测结果反馈给设备管理部门，以指导维修工作；4.如何确定合适的监测周期；5.如何将半导体设备的状态数据和历史数据结合起来进行综合分析，以找出规律。

具体来说，需要确定以下内容：1.所有机械和电气组件的状态都应该是良好的；2.所有机械组件都应该是可用的，并且可以通过更换或修理来恢复其性能。如果机械组件不能恢复其性能，则必须进行维修或更换。由于设备是在半导体工艺中运行，因此可能需要在半导体工艺中进行维修。但是，由于预测性维修的要求，半导体设备必须在半导体工艺中运行；3.传感器布置及安装位置；4.传感器信号传输方式及抗干扰措施；5.半导体设备状态监测系统设计方案。

六、半导体设备维修模式的未来发展

半导体设备的维修模式在未来的发展方向主要表现在以下几个方面：

第一，在半导体设备中使用新的诊断技术，例如故障诊断、状态监测、预测性维修等。

第二，使用先进的传感器技术对设备进行状态监测，如使用振动传感器、压力传感器等。

第三，在半导体设备中使用新型的数据处理系统和集成系统，例如微处理器等。

第四，随着微电子技术的发展，对半导体设备的故障诊断也更加精准和全面。

第五，与半导体设备相关的产品或者零部件得到优化和升级，使其更加符合半导体设备预测性维修模式的发展方向。

七、结束语

综上所述，半导体设备预测性维修是一种先进的维修理念，通过对设备进行状态监测，以获得设备的劣化趋势和特征参数，从而掌握设备的运行状况。实施半导体设备预测性维修，在一定程度上能够避免“过度维修”“过度更换”等不经济的维修方式，可以有效地延长半导体设备的使用寿命，提高半导体设备的使用效率。

作者单位：王友旺深圳深爱半导体股份有限公司

参考文献

[1]柳滨.半导体制造光刻机发展分析[J].电子工业专用设备，2023，52（05）：1-10+60.